莫高窟108窟內(nèi)空氣溫濕度的變化過程及其對窟內(nèi)水汽和熱量來源的啟示

周啟友，李禾澍，王 冬，王彥武

(1. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210046； 2. 敦煌研究院保護(hù)研究所，甘肅敦煌 736200)

0 引 言

位于敦煌市東南25km處的莫高窟是我國首批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位和首批世界文化遺產(chǎn)，它以其精美的繪畫、彩塑以及豐富的文化寶藏而聞名于世。但在建窟之后1650多年的今天，莫高窟的洞窟壁畫和彩塑卻面臨著不同程度的鹽害問題，一直困擾著洞窟的保護(hù)工作。這些鹽害問題包括：皰疹(可溶鹽在地仗層和顏料層間富集并推頂顏料層呈皰狀凸起)、酥堿(鹽分在壁畫表面富集形成的結(jié)晶)、起甲(壁畫顏料層、底色層呈氣泡狀鼓起、破裂和卷曲起翹)等。究其根本原因是水、鹽和氣體在墻體、地仗以及窟內(nèi)空間運(yùn)移并在地仗層鹽分濃縮結(jié)晶的結(jié)果。事實上，早在1995年張明泉等[1]就指出，是水鹽運(yùn)移導(dǎo)致了壁畫地仗層中的病害。陳港泉等[2]對莫高窟第351窟壁畫皰疹的研究表明，由于水的侵入而將大量的鹽分帶入，水分蒸發(fā)后鹽分結(jié)晶而形成了皰疹。靳治良等[3]對壁畫酥堿的研究也表明酥堿中鹽分結(jié)晶的析出是伴隨著水分蒸發(fā)而發(fā)生的結(jié)果。

因此，要解決壁畫的鹽害問題，就需要從根本上查明洞窟墻體內(nèi)的水、鹽和氣體的運(yùn)移過程，切斷水汽來源，從而阻止鹽分在地仗層的濃縮和結(jié)晶。為此，很多學(xué)者通過對窟內(nèi)外溫濕度的監(jiān)測，來探討了窟內(nèi)的水汽運(yùn)移過程。例如，閆玲等[4]通過對莫高窟第53窟內(nèi)外溫濕度的監(jiān)測分析，認(rèn)為洞窟內(nèi)存在吸放濕的調(diào)節(jié)作用，并建立了洞窟壁畫的等溫吸濕-放濕數(shù)理模型。王亞軍等[5]也通過對敦煌莫高窟第87窟窟內(nèi)溫度和相對濕度的監(jiān)測和分析發(fā)現(xiàn)，窟內(nèi)溫濕度特征因位置不同而有所差異，窟內(nèi)上部測點(diǎn)平均溫度高于下部測點(diǎn)的，而上部測點(diǎn)相對濕度低于下部測點(diǎn)的。李紅壽等[6]更是采用封閉與開放洞窟的監(jiān)測方法，推斷在莫高窟北區(qū)的132窟內(nèi)有來自圍巖的水分進(jìn)入洞窟。但遺憾的是，直至今天學(xué)者們都還沒有找到說明洞窟水汽來源的直接證據(jù)。

在此背景下，本研究通過在莫高108窟內(nèi)的溫濕度和空氣壓力的監(jiān)測，獲得了窟內(nèi)溫濕度場的分布及其時間變化過程，揭示了窟內(nèi)水汽和熱量的來源，為窟內(nèi)水汽來自圍巖的假設(shè)提供了直接證據(jù)。

1 試驗洞窟狀況

108窟位于莫高窟近地面一層，靠近南側(cè)?？邇?nèi)地面低于窟外地面1.41m，進(jìn)入窟內(nèi)的過道呈長方形，長5.5m，寬2.8m，高4.0m。窟主體下部近似為正方形，上部為倒扣的四邊行斗狀，長11.3m，寬10.40m，窟頂高8.2m，正方形高5.0m。中間為佛像臺，上有佛像數(shù)座，佛像臺和洞窟壁面之間有環(huán)繞通道隔開，佛像臺前為一小平坦區(qū)域。

除洞窟后壁面外，洞窟其他壁面上均有壁畫。后壁面上未有任何壁畫可見，一部分是裸露的地仗層，其余則是露出的砂礫石層面。洞窟四周靠近地面約0.6m一帶，有顯著的壁畫鹽害跡象。

洞窟后壁面上的砂礫石層，屬于典型的第四紀(jì)沖積物，礫石粒徑在3cm左右，磨圓度較好，有一定程度的水平層理。砂礫石之間有不同程度的鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)，但還未達(dá)到成巖的程度，水和氣可在其間緩慢運(yùn)移。砂礫石層雖然總體上比較均一，但在小尺度范圍上粒徑、結(jié)構(gòu)和膠結(jié)程度方面都有顯著的不同。這種小尺度范圍內(nèi)的非均質(zhì)性可能使得其間的水汽運(yùn)移通道具有明顯的選擇性。

在氣候條件方面，根據(jù)王旭東等[7]的統(tǒng)計，莫高窟多年平均降水量為23.2mm，空氣相對濕度年平均值為32%，最高相對濕度88%，最低相對濕度僅有7%，夏季(6～8月)降水量占全年降水量的一半以上。莫高窟地區(qū)的年平均蒸發(fā)量達(dá)4347.9mm，是年平均降水量的187倍。莫高窟地區(qū)每年日照總時數(shù)達(dá)2962.5h，明顯高于北緯40°附近的年日照標(biāo)準(zhǔn)時數(shù)。莫高窟窟區(qū)年平均氣溫10.3°C，最高氣溫40.6°C，最低氣溫-31°C。因此，和其他洞窟一樣，108窟也是在氣候干燥，降雨稀少，蒸發(fā)和日照強(qiáng)烈的環(huán)境條件下保存下來的。

2 監(jiān)測方法

為了監(jiān)測洞窟內(nèi)溫度場和濕度場的變化過程，自2015年5月6日起，在窟內(nèi)12個地點(diǎn)設(shè)置了高精度的溫度(精度1/10B級的PT100)和濕度傳感器(圖1)。這12個地點(diǎn)中的8個分別設(shè)定在洞窟底面和頂面的四角，第9個和10個分別設(shè)置在洞窟的入口和佛像臺上，以期能夠獲得洞窟內(nèi)空氣溫度的空間分布及其隨時間的變化過程。從2015年7月30日開始，又在1、3、5和7號位置設(shè)置了4個空氣壓力傳感器，對窟內(nèi)的空氣壓力進(jìn)行了監(jiān)測。

圖1 108窟內(nèi)溫濕度和空氣壓力傳感器的設(shè)定位置

對窟內(nèi)溫濕度和空氣壓力的監(jiān)測，采用了2臺澳大利亞產(chǎn)的dataTaker數(shù)據(jù)采集器按半個小時間隔進(jìn)行。所用傳感器均在出廠前進(jìn)行了標(biāo)定，其中溫度可通過dataTaker直接測定無需換算，但空氣相對濕度和壓力值需要通過dataTaker測定的電壓再根據(jù)廠家提供的傳感器標(biāo)定曲線換算后才能得到?，F(xiàn)場監(jiān)測前，在實驗室內(nèi)對此測定方法進(jìn)行了測試，結(jié)果表明所測結(jié)果是可靠和穩(wěn)定的，無需中途再次校驗。在現(xiàn)場監(jiān)測時，由于意外的電源供給故障問題，致使數(shù)據(jù)監(jiān)測出現(xiàn)了多次中斷，溫度和濕度同步監(jiān)測的時段較少，因此本研究僅選用了2015年5月至7月的有效資料進(jìn)行分析。盡管這些資料代表的僅僅是一個溫度上升的時段，但它仍為揭示洞窟水汽和熱量的來源提供了重要依據(jù)。

3 窟內(nèi)空氣溫度的時間變化過程與空間分布特征

圖2給出了2015年5月到7月近三個月間洞窟內(nèi)不同位置空氣溫度隨時間的變化過程?？梢钥闯?，洞窟內(nèi)的溫度在此期間近乎線性增加。從5月初的12°以下增加到了7月底的16°附近，溫度升高了4°左右。盡管與窟外同期大氣溫度的變化相比，4℃溫度的變化并不算大，但在長時間條件下，這一變化所帶來的影響不可忽略。

圖2 108窟內(nèi)2015年5月到7月不同位置空氣溫度隨時間的變化過程

在圖2中可以清晰地看到，在所監(jiān)測的12個傳感器中，以位于上層的4個監(jiān)測點(diǎn)溫度較高，而位于底層的4個監(jiān)測點(diǎn)溫度較低，其中8號和3號監(jiān)測點(diǎn)分別是溫度最高和最低的位置?？邇?nèi)空氣溫度的這種上高下低的差異隨著夏季的逐漸到來進(jìn)一步地增大。到達(dá)7月底時，窟上層和窟底面的溫度差異竟達(dá)到了近2℃。由于5～8號傳感器的設(shè)置位置還不是洞窟的頂部，如果這種上高下低的溫度差異按同樣的趨勢變化的話，那么窟頂面與地面溫度的差異在7月底就有可能達(dá)到3℃以上。

窟內(nèi)溫度的上高下低現(xiàn)象，與窟外地面附近溫度下高上低的特征完全相反，即窟內(nèi)的空氣溫度是逆向分布。因此，單從溫度分布的角度看，與窟外氣流普遍的向上運(yùn)動相反，窟內(nèi)空氣總體上比較穩(wěn)定，氣流甚至可能有下沉的現(xiàn)象。

為了說明窟內(nèi)同一時間溫度場的分布，用顏色的不同和圓點(diǎn)的大小表示12個監(jiān)測點(diǎn)之間溫度的相對大小，圓點(diǎn)大且為紅色的是溫度高的監(jiān)測點(diǎn)。圖3給出了5月11日零點(diǎn)和7月21日零點(diǎn)洞窟內(nèi)的空氣溫度分布狀況?？梢钥闯?，窟內(nèi)位于4號和8號監(jiān)測點(diǎn)之間的溫度差異最大，同時隨著時間的增加1號與5號之間、2號與6號之間的溫度差異也在逐漸增大。

從圖2中還可以看到一個更重要的現(xiàn)象是窟內(nèi)溫度晝夜變化在上層和底層之間的顯著差異。對于靠近地面的監(jiān)測點(diǎn)1～4號，溫度的晝夜波動較小，說明這些位置受窟外晝夜溫度變化的影響很小。而對于上層的監(jiān)測點(diǎn)5～8號，其溫度具有顯著的晝夜波動現(xiàn)象，說明位于這些位置的空氣溫度明顯受到了窟外晝夜溫度變化的影響。那么，窟外溫度的晝夜變化是通過什么途徑影響到了窟內(nèi)空氣的溫度呢？熱的傳輸有三種途徑，分別是傳導(dǎo)、對流和輻射。108窟平常不對外開放，窟口處的門是關(guān)閉的，窟內(nèi)和窟外沒有大的縫隙可供空氣交換和光線通過，因此可以認(rèn)為窟外通過對流和熱輻射直接對窟內(nèi)空氣的溫度施加影響是很困難的。那么，窟外對窟內(nèi)溫度施加影響的唯一途徑就是熱傳導(dǎo)作用。由于空氣是良好的熱絕熱材料，顯然窟外通過進(jìn)口處的空氣以熱傳導(dǎo)的方式影響窟內(nèi)的溫度是不可能的。剩下的唯一可能就是洞窟周圍的墻體，難道真是制作洞窟的砂礫石層通過熱傳導(dǎo)方式影響了窟內(nèi)空氣溫度的變化嗎？

圖3 108窟內(nèi)5月11日(左)和7月21日(右)零點(diǎn)空氣的溫度場分布

為了回答這一問題，本研究放大了5月11～12日和7月21～22日的溫度變化過程(圖4)。從圖中可以清楚地看到，上層空氣的溫度晝夜變化規(guī)律清晰，靠近地面的則不明顯，而位于中間高度的11號和12號，雖溫度晝夜變化明顯，但波動幅度不如上層監(jiān)測點(diǎn)。尤其是9號監(jiān)測點(diǎn)，它位于洞窟入口處的地面，反而溫度晝夜波動較小，這進(jìn)一步說明窟外熱量通過窟口以對流或輻射的途徑進(jìn)入窟內(nèi)，進(jìn)而影響窟內(nèi)空氣溫度變化的可能性很小。

圖4 108窟內(nèi)5月11～12日(左)和7月21-22日(右)的空氣溫度變化過程

為此，本研究分析了5月11～20日和7月18～27日間各個監(jiān)測點(diǎn)上溫度晝夜變化的幅度，即一晝夜中溫度的最大值與最小值之差(圖5)。可以看出，無論在5月份還是在7月份，窟內(nèi)空氣溫度的晝夜波動幅度在空間上都有顯著的分布特征。在上層空氣中，監(jiān)測點(diǎn)5號和6號處的晝夜波動幅度最大，而7號和8號監(jiān)測點(diǎn)處的晝夜波動幅度最小。由于5號和6號監(jiān)測點(diǎn)位于洞窟的后壁面上，比7號和8號監(jiān)測點(diǎn)更加遠(yuǎn)離洞窟出口，其溫度的晝夜波動幅度反而大于后者更加說明窟內(nèi)的熱源很可能不是來自于窟口。

圖5 108窟內(nèi)5月11～20日間(左)和7月18～27日間(右)不同監(jiān)測點(diǎn)上空氣溫度的晝夜波動幅度

采用與前面同樣的方法，用圓點(diǎn)的大小和顏色的不同來表示溫度晝夜波動幅度的相對大小，就可以得到5月17日和7月24日窟內(nèi)晝夜溫度波動幅度的空間分布(圖6)。它清晰地說明晝夜溫度波動最大的位置是5號監(jiān)測點(diǎn)所處的位置，同時該監(jiān)測點(diǎn)還是窟內(nèi)溫度最高的位置。難道在5號監(jiān)測點(diǎn)附近有熱源存在嗎？確實，在5號監(jiān)測點(diǎn)下方，1號監(jiān)測點(diǎn)旁邊，放置了數(shù)據(jù)采集儀器，儀器可能有微小的熱量釋出。要是來自于儀器的熱量對空氣溫度有影響，它應(yīng)該是一種持續(xù)穩(wěn)定的影響，不應(yīng)該是周期性的。況且離儀器最近的1號監(jiān)測點(diǎn)，其溫度也沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的晝夜變化。因此，5號監(jiān)測點(diǎn)處溫度的晝夜波動不應(yīng)該是來自于數(shù)據(jù)采集儀器的影響。

4 窟內(nèi)空氣濕度的時間變化過程與空間分布特征

窟內(nèi)空氣相對濕度傳感器的設(shè)置位置和溫度傳感器的位置完全一樣，監(jiān)測時間間隔也是半小時。但由于相對濕度傳感器外部供電中途中斷，在5月至7月份的監(jiān)測中僅獲得了開始一個月份的有效數(shù)據(jù)。圖 7給出了傳感器所記錄的窟內(nèi)空氣相對濕度隨時間的變化過程。

圖6 108窟內(nèi)5月17日(左)和7月24日(右)空氣溫度晝夜波動幅度的空間分布

圖7 108窟內(nèi)不同位置空氣相對濕度隨時間的變化過程

從圖7中首先看到，在整個觀測時間范圍內(nèi)，窟內(nèi)空氣的相對濕度總體上都是增加。在沒有外部水汽供給的條件下，隨著溫度的升高，理論上空氣的相對濕度是隨著溫度的升高而減小。因此，窟內(nèi)相對濕度總體上的增加與窟內(nèi)同期溫度的升高不吻合，除非水汽有一個從外部流入窟內(nèi)的渠道，通過這一渠道窟內(nèi)的空氣獲得了額外的水汽補(bǔ)給。

其次，從圖7中還清楚地看到，在整個觀測期內(nèi)相對濕度出現(xiàn)了明顯的三個峰值。一個在5月10日7∶30附近，另一個在5月20日22∶00左右，最后一個在5月30日0∶30前后。雖然三個時間點(diǎn)在溫度變化曲線上都有一定的溫度降低，但零點(diǎn)幾度的溫度變化就導(dǎo)致了如此大的空氣相對濕度變化，是難以解釋的，為此對窟內(nèi)空氣的絕對濕度進(jìn)行了計算。

在已知空氣溫度t(單位：°C)的條件下，可根據(jù)下式計算該溫度下空氣飽和時的絕對濕度(單位：g/m3)：

(1)

當(dāng)空氣的相對濕度f(單位：%)已知時，該溫度下非飽和空氣的絕對濕度可由下式計算：

ρw(t)=ρws(t)×f/100

(2)

為此，根據(jù)方程(1)和(2)以及所監(jiān)測的溫度和相對濕度，就可以計算出窟內(nèi)空氣的絕對濕度及其隨時間的變化過程。

圖8給出了窟內(nèi)空氣的絕對濕度隨時間變化的過程?？梢钥闯觯捎谟^測期間窟內(nèi)溫度的變化并不大，窟內(nèi)溫度的變化并不是空氣濕度變化的主要因素。窟內(nèi)空氣的絕對濕度仍然具有類似相對濕度的變化趨勢，隨著時間的增加總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢，并在前述三個時間點(diǎn)前后，存在三個明顯的迅速升高的峰值。這意味著，在此觀測期間，窟內(nèi)空氣存在凈的水汽輸入。難道在窟內(nèi)某個地方存在著水汽輸入的通道嗎？

圖8 108窟內(nèi)不同位置空氣絕對濕度隨時間的變化過程

事實上，窟內(nèi)空氣絕對濕度所體現(xiàn)出的晝夜變化就說明窟內(nèi)空氣的水汽和窟外有密切的聯(lián)系。有趣的是，這種絕對濕度的晝夜變化仍然以分布在上層的5～8號監(jiān)測點(diǎn)處表現(xiàn)顯著，位于后壁中層位置的11～12號以及位于地面的3～4號監(jiān)測點(diǎn)處也有明顯的晝夜變化特征，最靠近窟口的9號監(jiān)測點(diǎn)處卻晝夜變化較小(圖9)。而更為令人感到費(fèi)解的是，絕對濕度的周期性變化似乎并不是嚴(yán)格以24h為周期的，其周期有長短的差異，這與溫度嚴(yán)格遵守24h的周期變化明顯不一樣。

圖9 108窟內(nèi)5月16-19日間空氣絕對濕度的時間變化過程

理論上，在靜止和溫度均勻的空氣中空氣絕對濕度的分布應(yīng)該是底層高，上層小，因為絕對濕度大，相應(yīng)的空氣重力也就大。為此，選取了六個時間點(diǎn)繪制了窟內(nèi)絕對濕度的相對分布圖(圖10)，圖中左側(cè)的分布圖(a～c)代表了絕對濕度處于低值時間段的三個時間點(diǎn)，右側(cè)的分布圖(d～f)代表了絕對濕度處于峰值時間段的三個時間點(diǎn)。從圖中可以清晰看出，絕對濕度的高值區(qū)域總體上位于窟內(nèi)的上層和前部，而低值區(qū)域則位于窟內(nèi)的底部和洞窟的左前方向。當(dāng)絕對濕度處于低值時間段時，絕對濕度的高值區(qū)域主要分布在洞窟前部的3號和7號傳感器處，而當(dāng)絕對濕度處于峰值時間段時，上層區(qū)域的絕對濕度總體上增大，并在6號傳感器處增加明顯。絕對濕度的實際分布特征和事先的預(yù)測不一致。由此，可以認(rèn)為窟內(nèi)的水汽不是完全靜止的，結(jié)合前述溫度場的分布特征，可以斷定窟內(nèi)存在著由上層向下層和洞窟西側(cè)的水汽運(yùn)移現(xiàn)象，窟內(nèi)上層存在著溫度和水汽的來源。

5 窟內(nèi)空氣壓力的時間變化過程

為了證實窟內(nèi)存在著空氣流動現(xiàn)象，在1、3、5和7號位置設(shè)置了4個空氣壓力傳感器，從2015年7月30日開始對窟內(nèi)的空氣壓力進(jìn)行了監(jiān)測(圖11)。結(jié)果顯示，窟內(nèi)的空氣壓力也是變化的，并且存在著明顯的晝夜變化現(xiàn)象。由于空氣壓力對環(huán)境壓力的響應(yīng)要比溫度和濕度敏感得多，這一結(jié)果明確說明窟內(nèi)的空氣和外界的大氣是密切相連的。就大小而言，位于洞窟前部的3號和7號都大于洞窟后部的1號和5號的空氣壓力。因此，窟內(nèi)的空氣至少不是靜止不動的，它有一個由前部到后部的流動過程，并受到外部環(huán)境變化的影響。

圖10 108窟內(nèi)不同時間空氣絕對濕度的空間分布

圖11 108窟內(nèi)2015年7月(左)和2016年5月(右)的空氣壓力變化過程

綜上所述，窟內(nèi)空氣溫度、濕度和壓力的獨(dú)立監(jiān)測結(jié)果都一致說明，窟內(nèi)空氣與外部環(huán)境聯(lián)系密切，存在著顯著的晝夜變化以及水汽和能量的輸入，而且以上層空氣和靠前部(東側(cè))的區(qū)域變化幅度為大。由此判斷，影響窟內(nèi)空氣的物質(zhì)和能量的源應(yīng)該在洞窟上層和靠前部的區(qū)域，這就是108窟東側(cè)的外墻面。

6 結(jié) 論

通過設(shè)置在12個點(diǎn)的傳感器，對108窟內(nèi)不同位置的溫度、濕度和空氣壓力進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果表明，窟內(nèi)溫度存在著顯著的晝夜和長期的變化，其中上層空氣的溫度變化尤其明顯，而下層空氣的溫度變化則相對較小。在夏天，窟內(nèi)的上層空氣溫度高于下層空氣的溫度?？邇?nèi)空氣的絕對濕度受外部環(huán)境嚴(yán)重影響，存在近似晝夜的變化。在分布上，窟內(nèi)空氣濕度在上層和前部高，而在下層和后部則較小。窟內(nèi)存在著凈的水汽輸入過程，但水汽不是從洞窟的入口進(jìn)入。同樣，窟內(nèi)的空氣壓力也存在著明顯的晝夜變化過程，并受外部環(huán)境的影響而升高或下降，窟內(nèi)東側(cè)的空氣壓力大于西側(cè)的空氣壓力。這些結(jié)果一致說明，在108窟的東側(cè)上層存在著水汽和熱量的來源。

盡管這一水汽和熱量的來源是通過對窟內(nèi)空氣的監(jiān)測而獲得的，但顯然它也是108窟墻體內(nèi)的水汽和熱量來源。因此，這一結(jié)論為揭示108窟鹽害產(chǎn)生的原因，為下一步的鹽害防治工作提供了思路，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

致謝： 在野外工作期間，得到了敦煌研究院保護(hù)研究所陳港泉和劉洲的熱情幫助，在此表示感謝。