每年的冬至日这一天太阳光直射南回归线,会有一些难得的景色出现,在正午时分,故宫乾清宫内的正大光明匾额,会由西向东被阳光照亮,发出金色的光芒;而在黄昏时分,颐和园十七孔桥的桥洞会被金色的余晖穿过,仿佛打开了时空穿越之门。
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金匾如何被“点亮”
乾清宫内“正大光明”匾额在冬至日被“点亮”,与乾清宫的建筑布局、太阳高度角、金砖地面的反射、太阳东升西落的规律、屋檐出挑做法等多个因素密切相关。
乾清宫坐北朝南的建筑布局形式,是“点亮金匾”的重要前提。建筑的长度方向与东西向平行,宽度方向与南北向平行,南立面每间房均开设隔扇门或槛窗,北立面一般只在明间开设用于出入通道的隔扇门。北京位于北回归线以北,所以我们看到,太阳自东南向升起,西南向降落,终年都是由偏南方向照射,因而建筑的南立面利于采光。不仅仅乾清宫,紫禁城中轴线上所有建筑的布局方式均为坐北朝南。《周易·说卦》有:“圣人南面而听天下,向明而治。”可见古人对坐北朝南建筑布局方式的重视。
冬至日的太阳高度角,是“点亮金匾”的必备条件。太阳高度角是太阳照射方向与地平面的夹角。每天正午时分,太阳处于正南方位,为阳光照射到正大光明匾额提供了良好条件。在一年中,每天正午时分的太阳高度角并不相同,就北京而言,夏至日的太阳高度角最大,约为73度;冬至日的太阳高度角最小,约为27度。在夏至日正午,由于太阳高度角过大,阳光照射到屋檐位置后,由于屋檐的阻挡,仅照射在门口,未能进入殿内,因而夏天乾清宫内并不会很热(夏凉);在冬至日正午,由于太阳高度角很小,阳光很容易穿过屋檐照射到殿内深处(冬暖),且反射到正大光明匾额位置上。
乾清宫内的金砖地面,是“点亮金匾”的另一个因素。金砖产于苏州城北的陆慕镇余窑村,铺墁工艺苛刻复杂,其中包含“使灰钻油”工序,在铺墁完的砖面层上分3次浇筑桐油:第1次在干透的地面上刷生桐油1-2遍,第2次用麻丝搓1-2遍灰油,第3次刷1-2遍光油。浇筑后的金砖地面坚固密实,光亮如镜。冬至日正午的阳光照射在金砖地面,产生了镜面反射,反射后的光束汇聚到“正大光明”匾额,以及下方的五条金龙位置,使其熠熠生辉。
正午时分阳光照射乾清宫示意图
冬至日的正午前后,阳光由西向东依次点亮匾额的“明”“光”“大”“正”字样,及下方的五条龙。为什么会形成这样的次序呢?从地球上看,太阳每日东升西落。冬至日这天,正午前太阳位置在乾清宫的东南侧,阳光的照射方向为西北向,因而首先点亮“明”字及西边的龙;在正午时,太阳的位置在乾清宫的正南侧,阳光照射的方向为正北,“光”“大”字及下方正中间部位的龙最亮;正午后,太阳的位置在乾清宫的西南侧,阳光照射的方向为东北向,因而“正”字及下方最东侧的龙最亮。
阳光照射乾清宫平面示意图
乾清宫出挑的屋檐,是“点亮金匾”的助力神器。故宫古建筑屋顶檐部向外挑出,使得屋面形成优美的曲线,称为挑檐做法。故宫古建筑屋面檐口出挑的尺寸,一般为柱高的1/3左右。这不仅增加了建筑的造型之美,而且有利于控制光线照射范围,即太阳高度角较大时(夏天),进入室内的光线少;太阳高度角小时(冬天),进入室内的光线多。
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“金光穿洞”的秘密
颐和园十七孔桥在冬至日“金光穿洞”奇观,每年都吸引众多游人,为什么会形成这一美景呢?
傍晚时分的太阳高度角,为“金光穿洞”提供了适宜的光线高度。在冬至日,太阳高度角随着太阳的东升西落,呈现由小到大再到小的变化过程。在不同时间段,十七孔桥处的太阳高度角近似值分别为:上午8时,4度,并逐渐增大;中午12时,27度,太阳高度角达到一天的最大值,并逐渐减小;黄昏16时,8度,阳光略高于湖水面,并继续减小,直至阳光落到地平面以下。不难发现,黄昏时分,太阳高度角很小,阳光照射方向几乎与湖面平行,有利于光线直接射入到桥洞内壁上,产生“金光穿洞”的效果。
黄昏时分的太阳方位角,为“金光穿洞”提供了适宜的照射角度。太阳方位角,即太阳照射方位在地面投影的角度,这一角度以目标位置的正北方为起始方向,太阳的入射方向为终止方向,按照顺时针方向逐渐增大。目标位置的太阳方位角亦与其所处的纬度、日期、时间等因素密切相关。十七孔桥所处纬度约为北纬40度,在冬至日的不同时间段,太阳方位角近似值分别为:上午8时,125度,太阳位于桥的东南侧;中午12时,177度,太阳位于桥的南侧;傍晚16时,即“金光穿洞”发生时刻,231度,太阳位于桥的西南侧。
十七孔桥并非完全东西向,而是东端略偏南、西端略偏北,这使得傍晚的阳光并非完全穿过桥洞,部分光线照射到了每个桥洞的东侧内壁上。黄昏时段,如果站在桥的西北侧,可以看到桥洞东侧内壁的金光。随着太阳方位角进一步增大,光线与桥体夹角进一步减小,照射到桥洞东侧内壁的阳光量逐渐减小,最终形成阳光“穿洞”的视觉效果。
冬至日太阳高度角立面示意图
黄昏时分阳光的散射作用,为“金光穿洞”提供了适宜的色彩来源。太阳光穿过大气层到达地面,大气层对阳光具有散射作用。即在大气中的气体分子、悬浮微粒的作用下,太阳光不能直线前进,而是四面八方分散射开,产生散射现象。太阳光为复色光,由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种单色光组成,其频率依次增大、波长依次减小,波长越短的光,越容易散射;大气层厚度越大,光线越容易散射。傍晚的温度比白天低,大气层比白天更厚,阳光穿过厚厚的大气层到达地球表面时,会发生更加明显的散射。
太阳光在黄昏时分抵达十七孔桥的时候,为什么桥洞呈现的是橙黄色的光芒呢?原来,太阳光中青、蓝、紫等波长较短的光在大气中产生了大量散射,而红、橙、黄等波长较长的光大量抵达桥体。因此快到日落时,红、橙、黄混合呈现金黄色,照射在桥洞中,呈现出美不胜收的“金光穿洞”效果。而且随时夕阳西下,金光的色彩又在不断发生变化。到日落时分,阳光穿透的大气层厚度增加,橙、黄等单色光亦产生散射,照射到桥体的阳光以红色光为主,桥洞呈现出“红光穿洞”的效果。就像唐代诗人白居易在《登阊门闲望》中说的那样:“阊闾城碧铺秋草,鸟鹊桥红带夕阳。”
冬至日太阳方位角平面示意图
十七孔桥的建造艺术,为“金光穿洞”提供了极佳的光线载体。从立面看,石拱桥由桥面、拱圈、桥墩等部分组成。其中,桥面为优雅的抛物线形,犹如湖面上的一道优美曲线,呈现长虹卧波的视觉效果。十七个拱圈呈对称分布,洞口尺寸由中间向两边逐渐减小,产生极强的韵律感。各拱圈通过石块的堆叠,产生侧向挤压力,不仅有力地支撑了桥面传来的重量,并将该重量传递给桥墩,而且圆弧状的拱洞产生柔和圆润之感,凸显拱圈的曲线之美。硕大的方形桥墩与柔美的弧形拱圈和谐一体,形成力与美的巧妙融合。不仅如此,桥体为实,桥洞为虚,金色的光芒穿过桥洞,照射在内壁上,增添了桥体如梦如幻的意境,凸显出十七孔桥的建筑之美。(作者/周乾,故宫博物院)
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