全球变暖情景下世界遗产阿纳石灰岩的表面溶蚀预测研究

《Heliyon》：World's heritage An?? stone and its surface recession according to the IPCC AR6 global warming scenarios

本刊推荐：为评估气候变化对文化遗产石材耐久性的影响，研究人员基于IPCC AR6情景，采用修订的Lipfert方程量化了葡萄牙阿纳石灰岩在历史期（1995-2014）和未来期（2080-2099）的表面溶蚀速率（L）。研究发现，尽管大气CO2浓度升高会加剧石材溶蚀，但降水量减少为主导因素，导致未来情景下阿纳石灰岩的表面溶蚀速率普遍降低约25%-28%。该研究为文化遗产的预防性保护提供了气候适应策略依据。

　　

在历史悠久的文化遗产建筑中，石灰岩因其易于雕琢和优美的纹理而被广泛使用，葡萄牙的阿纳石灰岩便是其中的杰出代表，于2024年被联合国教科文组织认定为世界遗产石。然而，这些承载着历史与艺术的石质遗产，正默默承受着来自环境的侵蚀。空气中的酸性气体，如二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）和氮氧化物（NO₂），与雨水结合形成酸性物质，会与石灰岩的主要成分碳酸钙（CaCO₃）发生反应，导致石材表面逐渐溶解、剥落，这一过程被称为表面溶蚀或表面衰退（Surface Recession），其速率通常以微米每年（μm/y）来衡量。气候变化正在全球范围内改变温度、湿度和降水模式，这不可避免地会影响石材的衰变进程。一个核心的科学问题随之产生：在未来不同的全球变暖情景下，文化遗产石材的衰变命运将如何被改写？是为了缓解还是加剧？

为了回答这个问题，由Fabio Sitzia等人组成的研究团队在《Heliyon》期刊上发表了他们的研究成果。他们聚焦于葡萄牙的世界遗产石——阿纳石灰岩，创新性地将政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）提出的共享社会经济路径（SSP）情景（包括SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5）引入到文化遗产材料耐久性的预测中。研究旨在量化从历史参考期（1995-2014年）到未来期（2080-2099年），阿纳石灰岩在葡萄牙大陆各地区的表面溶蚀速率变化，从而为未来的文化遗产保护规划提供前瞻性的科学依据。

研究人员开展这项研究主要依赖于几个关键的技术方法：首先，他们运用了经典的Lipfert损伤函数（Lipfert damage function）作为计算表面溶蚀的核心模型，该方程综合考虑了洁净雨水（喀斯特效应）、酸雨（湿沉降）以及气态污染物干沉降（如SO₂和HNO₃）三方面的贡献。其次，他们根据未来气候情景数据，对Lipfert方程中的关键参数进行了动态修正，包括反映CO₂溶解平衡的截距项、各地区降水量（R）、温度（T）、相对湿度（rH）等气象数据，这些数据主要来源于世界银行气候变化知识门户（CCKP）和IPCC交互式图集。再者，对于难以直接获取的未来大气污染物（如SO₂, NO₂, O₃）浓度，研究通过比例换算或经验公式（如Tidblad和Kucera方程计算HNO₃浓度）进行估算。此外，污染物的沉积速率（V_DS, V_DN）则通过土地利用模型（LUM）和空气动力学阻力模型进行计算，考虑了葡萄牙的地表粗糙度、风速等因素。最后，通过地理信息系统（GIS）技术将计算结果可视化，生成了葡萄牙各地区在不同情景下的表面溶蚀速率分布图。

研究结果

表面溶蚀速率的空间分布与情景对比

研究结果显示，在历史时期（1995-2014），葡萄牙全国平均表面溶蚀速率约为32 μm/y。空间分布上，西北部地区（如维亚纳堡、布拉加）的溶蚀速率最高，可达54 μm/y，而南部地区（如贝雅、法鲁）的溶蚀速率最低，约为21 μm/y。这种差异主要归因于西北部地区较高的降水量和特定的地形地貌，来自大西洋的盛行风（Nortada）受到山脉（如Peneda、Geres山）抬升，形成丰富的地形雨。

在对未来情景（2080-2099）的预测中，一个显著的共同趋势是：与历史时期相比，所有SSP情景下的表面溶蚀速率均呈现下降趋势。SSP2-4.5情景下的全国平均溶蚀速率降至23 μm/y（下降约28%），SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下分别为24 μm/y和23 μm/y（下降约25%和28%）。尽管不同严重程度的情景间溶蚀速率变化不大，但西北部地区仍然是溶蚀速率最高的区域。这表明，即使在未来降水量普遍减少的背景下，区域性地形因素仍然是控制溶蚀速率空间格局的主导力量。

影响表面溶蚀的“衰变平衡”因素分析

研究表明，表面溶蚀速率的变化是多种因素相互抵消或增强的“衰变平衡”结果。一方面，未来大气CO₂浓度的大幅升高（从历史期的379 ppm增至SSP5-8.5情景的954 ppm）会增强雨水的酸性，从而加剧石灰岩的溶解，这体现在Lipfert方程中截距项从18.8 μm/m提升至33.24 μm/m。另一方面，所有气候情景都预测葡萄牙将面临降水量的显著减少，这直接降低了参与溶蚀反应的水量，从而减缓了表面溶蚀。在这项研究中，降水减少的效应超过了CO₂浓度升高带来的酸化效应，导致了净溶蚀速率的下降。此外，大气污染物SO₂和NO₂的浓度在部分情景（如SSP2-4.5）下有所降低，这也对减缓溶蚀起到了积极作用。而温度升高和相对湿度降低等因素则通过影响HNO₃的生成和污染物沉积速率，对“衰变平衡”产生复杂但相对次要的影响。

表面溶蚀的微观表现与文化遗产影响

表面溶蚀虽然是一个缓慢的过程，但其对石材外观和材质的的影响是切实可见的。研究通过实验展示了阿纳石灰岩抛光表面在接触雨水后的变化：经过20天的雨水暴露，石材表面粗糙度（Ra）从1.39 μm显著增加至3.23 μm。

这种微观上的溶蚀导致石材表面失去光泽，变得黯淡无光，艺术细节模糊，宏观上则表现为建筑装饰细节的丧失。

结论与讨论

本研究通过将最新的IPCC AR6气候情景与Lipfert方程相结合，首次对世界遗产石阿纳石灰岩在未来的表面溶蚀动态进行了系统的预测分析。主要结论指出，对于葡萄牙而言，气候变化在21世纪末期预计将减缓阿纳石灰岩的表面溶蚀进程，这主要是由降水减少主导的。然而，这种减缓效应具有地域特异性，在葡萄牙西北部等多雨地区，石材的衰变风险依然相对较高。

该研究的重要意义在于其为文化遗产的预防性保护和气候适应性策略提供了关键的科学数据。了解未来长期的石材衰变趋势，有助于文化遗产管理者优先安排保护资源，对高风险区域的建筑采取适当的防护措施，例如施用保护性涂层或设计遮蔽结构。同时，该研究建立的预测框架可以推广应用于其他地区和其他类型的碳酸盐石材，从而在全球尺度上评估气候变化对石质文化遗产的潜在影响。

研究也坦诚地指出了其存在的不确定性，例如未来大气污染物浓度的估算依赖于简化假设，气候模型本身的局限性，以及部分参数使用了国家平均值而非地区特定值等。尽管如此，研究所揭示的表面溶蚀在未来总体下降的趋势被认为是合理的，为在气候变化背景下思考文化遗产的长期保存提供了新的、有价值的视角。这项研究巧妙地搭建了气候科学、环境化学与文化遗产保护之间的桥梁，凸显了跨学科研究在应对全球性挑战中的重要性。