大气的预测性是有限的。即使是用超级计算机，全球天气数值模型GCPMs的预测结果在6天之后准确性开始出现明显下降，17天之后，预测准确率降至为气候平均态，亦即与猜成过去几年的平均值一样的误差[1]。这是因为一个很小的扰动或者计算误差，也会对全球大气模式带来较大影响。1963年，气象学家洛伦兹提出了在确定性系统中的非周期现象。在模式中参数的微小改变将导致最后完全不一样的结果，有规律的、周期性的行为变成完全混乱的状态，称之为“混沌理论”，更通俗易懂的传播概念是“蝴蝶效应”。这种最初只在气象中出现的混沌无序现象，后来被发现广泛存在于其他系统中，诸如精神病的发病、心率的节奏、股市的波动等。
除了大气流体的初始微小变化能引起最后的剧烈变动外，大气中还存在着突发的非线性变化，例如超强火山爆发释放的气溶胶，由于10公里高度以上的平流层的存在而输送至全球，改变了原先的大气辐射收支平衡和化学组分，进而影响局地气候。火山灰既可以后向散射和吸收太阳短波辐射，也可以改变云的形成和云反射特性来影响气候。虽然火山爆发的频次小于人为排放气溶胶，数量小于自然释放的海盐气溶胶，但是由于火山一般是在高海拔地区，所以火山灰气溶胶能到自由大气(>1000 m)中，甚至冲破对流层顶到达平流层，所以火山灰对全球辐射收支平衡的影响是和人类排放硫酸盐气溶胶同一量级的[2]。虽然自工业革命后全球变暖的趋势明显，但是2000年之后出现了升温趋势的放缓，这可能与1998年以后全球平均光学气溶胶(AOD)厚度的增加有关[3]。平流层气溶胶的增加减少了入射的太阳辐射，从而减缓了温室效应。
大气数值模型一般关注近地面(<5 km高度)的气象参数。但是如果忽略了10 km高度以上平流层气溶胶尤其是火山灰气溶胶的辐射强迫，往往会夸大全球的升温趋势[4]。除了陆地释放的气溶胶产生的辐射强迫外，海洋环流和海温变动的影响也不容忽视，El Nino/Southern Oscillation (ENSO)和La-Nina周期震荡造成的变暖趋势放缓是气候的正常变动，所以在量化人类排放温室气体对全球变暖的效应时，需要同时扣除火山爆发和海温周期震荡的影响[5]。2000年-2010年间，平流层的水汽量下降了10%，而水汽又是重要的温室气体，所以平流层水汽也是气候变化的重要驱动因子之一[6]。分析1979-2003年的数据，研究者发现了两次明显的冷却降温与强火山爆发释放的气溶胶有关，分别是位于墨西哥的埃尔奇琼(El Chichón) 火山爆发(1982年3月)和位于菲律宾的皮纳图博(Pinatubo)火山爆发(1991年6月) [7]。Benjamin等人2014年进一步指出了证据，表明火山爆发造成的平流层气溶胶厚度增加，和卫星观测得到的气温呈现负相关，使平流层增温、对流层降温[8]。综上所述，强烈的火山爆发释放到平流层的气溶胶，对气候模型预测结果带来较大的不确定性。怎样通过观测加深对火山灰气溶胶的理解，并将其转化为超级计算机能理解的符号和代码语言，是目前必须要做的。
火山灰气溶胶有两面性，既能减缓气候变化，还会对人类的生存带来直接的毁灭性影响。El Chichón 火山爆发造成方圆7 km内的村庄全部毁灭，2000多人死亡。Pinatubo 火山爆发喷出约100亿吨的岩浆和2千万吨的二氧化硫，为地表带来大量的矿物和金属；又对平流层注入大量的气溶胶，蔓延至全球各地，气溶胶在形成一层硫酸雾“面纱”，全球平均气温下降约0.5°C。
在人类漫长的进化史上，火山灰气溶胶也是梦魇。史坦尼·安布鲁士(Stanley Ambrose)提出史前人类的分布受到大型火山爆发造成的巨灾所影响。那次火山爆发在七至七万五千年前的印尼多峇湖发生，强度为火山爆发指数的8级，即超大规模级数。大量的火山灰令全球温度在之后数年间下降了3至3.5摄氏度，在地球北部甚至下降了10-15度，引起一次冰河时期。巨灾之后一段时间，气候好转，劫难后的幸存者们在各自的不同地域发展繁衍，最后人类再次遍布整个地球[10]。火山冬天理论认为火山爆发后产生大量的火山灰、硫酸等物质到大气层中，提升地球对太阳的反照率，将太阳辐射返回地球外，导致全球气温下降。若要引起长期冷却效应，主要取决于是否有大量的硫化合物注入平流层，这些化合物经历一系列反应后会产生硫酸盐气溶胶。这些气溶胶除了在平流层透过反射阻挡太阳辐射，还会吸收地表辐射来增加平流层温度[9]。
1816年是是自欧洲黑暗的中世纪之后，北半球最寒冷的一年，又称为“无夏之年”(Year Without a Summer)。一般相信1816年的反常气温是由于之前的几次火山爆发。例如1812年，加勒比海苏弗里耶尔火山(La Soufrière volcano)爆发。同年，印度尼西亚阿武火山(Awu)爆发。1813年，日本诹访之濑岛火山(Suwanosejima)爆发。但是最直接的影响还是1815年4月荷属东印度森巴瓦岛上坦博拉火山(Mount Tambora)爆发[[11]。坦博拉火山的爆发是人类历史上最大规模的火山爆发之一，火山爆发指数为VEI-7，所喷出的火山灰总体积多达150立方公里，而且抵达高至 43 公里之平流层。火山灰最远一直到达南北极，因此一个半世纪之后的气象学家们能通过勘探冰芯发现它们的存在。当年的7月和8月，欧洲因寒冷导致粮食歉收，引发的饥荒死亡超过20万人。
1816年的这次超强火山爆发，也给欧洲的艺术发展造成深远影响。在强烈火山喷发活动后，火山灰进入高空并在平流层游荡多年，厚度有时会超过一千米。火山灰及硫酸盐气溶胶笼罩在天空，大量太阳辐射被其反射，热量难以抵达近地面。气溶胶颗粒又是形成云层冰晶所需的凝结核，这也导致火山灰影响之处多阴雨天气，加剧了气温的下降。平流层的火山灰气溶胶潜藏在高高的雨云之中，但是又不能被降雨清除，所以全世界都被蒙上了一层“面纱”。由于大量气溶胶粒子对阳光的散射，远至英国伦敦亦可见日落彩霞。1816年，约翰·康斯太勃尔(John Constable)画出一幅油画，上面是英国南部海岸的避风港韦茅斯湾 (Weymouth Bay)，天空中笼罩着一片阴云。他在日记中写道：“到处都有火山引起的大风”。这也是欧洲这一年火山爆发影响下造成的大风阴雨天气的写照。
来源：The art story，下同。
1816年，在坦博拉火山爆发之后，德国浪漫主义风景画家卡斯帕·大卫·弗里德里希(Caspar David Friedrich)绘制了《港口景色》(View of a Harbor)和《晨雾中的新勃兰登堡》(Neubrandenburg in the morning mist)两幅风景画，生动地描绘了当时的天空。由于出身境遇，死亡、忧愁、自然等题材是卡斯帕所迷恋的主题。他有极端敏锐的观察力，常常漫步于山林海滨，又擅于表达光线与色彩的精微细节。他认为“从一粒砂中也可以看到自然的神妙。” 根据瑞利散射定律，没有气溶胶时，太阳光谱中的波长较短的紫、蓝、青等颜色的光容易散射出来，故天空呈蔚蓝色。而当火山灰气溶胶弥漫在平流层中时，波长较长的红、橙、黄等颜色的光，被气溶胶粒子大量散射到天空，故火山爆发后天空橙红色较为显著。从图6可以看出，火山灰气溶胶使得欧洲出现亮红色和橘色的天空，这样的情况一直持续了三年时间。
英国风景画大师特纳(J.M.W. Turner)的作品向来以对光色的描绘而著称，并影响了后来的印象主义者。1816年之后的几幅特纳的风景画作品中，旭日失去夺目的光芒。不仅是特纳，很多画家如John Crome等的画作中明暗度在1816年之后出现明显下降，1819年之后风景画中的天空才渐渐变明亮[12]。从下面两张图《奇切斯特运河》(Chichester Canal) 和《佩特沃斯湖落日》(The Lake Petworth Sunset)可以看出，天空中出现了明显的橙红色气溶胶。
不仅仅是1816年的这次火山爆发对西方风景画有直接影响。Christos Zerefos等人分析了在1500年至1900年间，共554幅181位艺术家描绘过的日落作品的色彩运用。在这段时间里，全球有50座大火山的喷发。这几百幅作品记录了火山灰气溶胶对天空的影响，可以作为光学气溶胶厚度(AOD)的近似[13]。Christos Zerefos等人定量化分析每幅画的红蓝色对比，发现红绿色比值与过去400年的火山灰尘幕指数（DVI）指数显著相关。这一点证明，虽然画作是艺术家创作的，但是不约而同地反映了实际天空颜色。
爱德华•蒙克(Edvard Munch)创作于1893年的名作《呐喊》是绘画史上最有影响的作品之一。在这位挪威画家的笔下，天空呈现出绚烂又诡异的色彩。这种诡异的色彩其实是“珠母云”(nacreous clouds)，在挪威南部可以观测到。“珠母云”是一种天空变得色彩斑斓、雾霭朦胧的天气条件，受到喀拉喀托火山(Krakatau)影响。蒙克在1892年1月22日的一篇日记中记录了《呐喊》的灵感来源：“我跟两个朋友一起迎着落日散步——我感受到一阵忧郁——突然间，天空变得血红。我停下脚步，靠着栏杆，累得要死——感觉火红的天空像鲜血一样挂在上面，刺向蓝黑色的峡湾和城市——我的朋友继续前进——我则站在那里焦虑得发抖——我感觉到大自然那剧烈而又无尽的呐喊。”
珠母云是极地平流层云(polar stratospheric cloud, PSC)的一种，是冬季出现在两极地区平流层中的一种云，通常分布在离地15-25km的高度范围内。II型PSC云滴较大，能够前向散射阳光而呈现出乳白色、如珍珠般的光泽，有时因为光的干涉效应还会带上颜色（粉红色或绿色）。在阳光的照射之下会呈现珍珠般的光泽，故而这种云也称作“珠母云”或“贝母云”。1883年8月印尼喀拉喀托火山爆发，等级为VEI-6，释放出250亿立方米的气溶胶，是人类历史上最大的火山喷发之一。在火山喷发后，大量火山灰和二氧化硫气体进入平流层，在一两个月的较短时间内形成硫酸盐气溶胶，随着平流层环流输送到全球各处。当硫酸盐气溶胶笼罩整个平流层时，天空的朝霞和晚霞异常漂亮，红色、橙色的天空随时都在，不论是刮风下雨，甚至在大雨之后更加清晰。这是因为降水过程发生在对流层，而硫酸盐气溶胶则在高高的平流层，是无法清洗掉。所以蒙克能看到火山后红色的天空，那火山灰气溶胶染红的天空如此长久的出现，带来美的震撼。
实际上，除了自然排放的火山灰气溶胶之外，人为排放的气溶胶也能给艺术家带来灵感。英国工业革命后，煤炭成了工业和居民供暖的主要能源。1899至1905年间，莫奈(Oscar-Claude Monet) 陆续创作了数十幅伦敦煤烟雾为主题的绘画作品。阳光跳动在泰晤士河上，渲染着天空奇异的色彩变化，包括深深浅浅的红、橙、蓝、紫各色。1952年12月4日至9日，在雾霾持续的5天中，有5000人丧生，此后2个月，又有8000人因相关问题陆续丧生，这就是著名的“伦敦烟雾”事件。当时的情况严重到原定在剧院上演的歌剧《茶花女》被迫取消，因为雾霾渗入了剧院内部，没人能看清舞台。伦敦烟雾对于很多人来说是一场噩梦，对于莫奈来说却是他创作的灵感之源。从雾气之中，光与空气仿佛都现出了真面目，而这两者正是印象派画家梦寐以求所追逐的。画中那漫天黄色是高硫含量的煤燃烧后烟尘和硫酸盐颗粒散布到空气中，成为水蒸汽的凝结核所致，形成的雾也比自然形成的雾更为持久，散射的光偏向于橙黄色。
平流层的存在不仅仅助力于气溶胶的全球输送，还有助于声波的传输。唐代著名诗人王维有诗《鹿柴》云：“空山不见人，但闻人语响，返景入森林，复照青苔上”。这首诗描绘的是空山深林在傍晚时分的幽静景色。诗的绝妙处在于以动衬静，空谷传音，愈见其空。但是为什么在傍晚王维看到周围并没有人，却能听到人说话的声音呢？背景噪音变小了仅仅是其中一个因素。最根本的原因是声波的折射现象。声音的传输速度和气温有关，在热空气中的传播速度比在冷空气中的传播速度快 。在对流层(<10 km)，温度随高度的升高而降低；在较高的平流层(>10 km)中，气温又随高度的增加而升高。沿着地面传播的声波，经过一段距离之后就渐渐听不到了；而朝着高空传播的声音，到达平流层后又慢慢向下弯曲，到一定远处又传播到地面，造成了“近处听不到远处反而能听得到”的奇怪现象。白天，由于地面接受太阳辐射，温度升高，近地声速大于高空，声音传播路径向上，到了夜晚，由于辐射冷却，靠近地面空气逐渐冷下来了，高空声速比近地大，因而声音会向地面折射。我们能够在夜间听见很远的声音，其原理与光折射造成的“海市蜃楼”是非常类似的。“姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船”，便是声的折射的诗意写照。
大气作为混沌系统，它的非线性变化造成了五彩缤纷的自然现象，由此启发了科学家、艺术家、诗人甚至是宗教神学家对大气的不断探索，并各自创作出对这些自然现象的解读。无论是科学理论、物理模型、化学公式、绘画、诗歌、圣经，都是人类记录自然现象的表示形式，都对满足人类好奇心、探索这个未被完全认知的客观世界、抚慰内心灵魂做出了巨大的贡献，是人类文明的宝贵遗产。倘若一个地球科学家足够幸运，他便能继承这些遗产，并将这些现象背后的原理，传达给更多的人，以及后代。
参考文献
[1] Judt F. Insights into Atmospheric Predictability through Global Convection-Permitting Model Simulations[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2018, 75(5): 1477-1497.
[2] Mather T A, Pyle D M, Oppenheimer C. Tropospheric Volcanic Aerosol[J]. Volcanism and the Earth's Atmosphere, 2004: 189-212.
[3] Solomon S, Daniel J S, Neely R R, et al. The Persistently Variable “Background” Stratospheric Aerosol Layer and Global Climate Change[J]. Science, 2011, 333(6044): 866.
[4] Fyfe J C, Gillett N P, Zwiers F W. Overestimated global warming over the past 20 years[J]. Nature Climate Change, 2013, 3: 767.
[5] Kosaka Y, Xie S-P. Recent global-warming hiatus tied to equatorial Pacific surface cooling[J]. Nature, 2013, 501: 403.
[6] Solomon S, Rosenlof K H, Portmann R W, et al. Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming[J]. Science, 2010, 327(5970): 1219.
[7] Ramaswamy V, Schwarzkopf M D, Randel W J, et al. Anthropogenic and Natural Influences in the Evolution of Lower Stratospheric Cooling[J]. Science, 2006, 311(5764): 1138.
[8] Santer B D, Bonfils C, Painter J F, et al. Volcanic contribution to decadal changes in tropospheric temperature[J]. Nature Geoscience, 2014, 7: 185.
[9] Robock A. Volcanic eruptions and climate[J]. Reviews of Geophysics, 2000, 38(2): 191-219.
[10] Rampino M R, Self S. Volcanic winter and accelerated glaciation following the Toba super-eruption[J]. Nature, 1992, 359(6390): 50-52.
[11] Oppenheimer C. Climatic, environmental and human consequences of the largest known historic eruption: Tambora volcano (Indonesia) 1815[J]. Progress in physical geography, 2003, 27(2): 230-259.
[12] Hubbard Z. Paintings in the Year Without a Summer[J]. Philologia, 2019, 11(1).
[13] Zerefos C S, Gerogiannis V T, Balis D, et al. Atmospheric effects of volcanic eruptions as seen by famous artists and depicted in their paintings[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2007, 7(15): 4027-4042.
