冬至日“點亮金匾”看“金光穿洞”

　　原標題：冬至日“點亮金匾”看“金光穿洞”

　　每年的冬至日，太陽光直射南回歸線，會有一些難得的景色出現，在正午時分，故宮乾清宮內的正大光明匾額，會由西向東被陽光照亮，發出金色的光芒；而在黃昏時分，頤和園十七孔橋的橋洞會被金色的余暉穿過，仿佛打開了時空穿越之門。

　　正午時分陽光照射乾清宮示意圖

　　視覺中國

　　冬至日太陽高度角立面示意圖

　　金匾如何被“點亮”

　　乾清宮內“正大光明”匾額在冬至日被“點亮”，與乾清宮的建築佈局、太陽高度角、金磚地面的反射、太陽東升西落的規律、屋檐出挑做法等多個因素密切相關。

　　乾清宮坐北朝南的建築佈局形式，是“點亮金匾”的重要前提。建築的長度方向與東西向平行，寬度方向與南北向平行，南立面每間房均開設隔扇門或檻窗，北立面一般只在明間開設用於出入通道的隔扇門。北京位於北回歸線以北，因此我們看到，太陽自東南向升起，西南向降落，終年都是由偏南方向照射，因而建築的南立面利於採光。不僅僅乾清宮，紫禁城中軸線上所有建築的佈局方式均為坐北朝南。《周易》有：“聖人南面而聽天下，向明而治。”可見古人對坐北朝南建築佈局方式的重視。

　　冬至日的太陽高度角，是“點亮金匾”的必備條件。太陽高度角是太陽照射方向與地平面的夾角。每天正午時分，太陽處於正南方位，為陽光照射到正大光明匾額提供了良好條件。在一年中，每天正午時分的太陽高度角並不相同，就北京而言，夏至日的太陽高度角最大，約為73度；冬至日的太陽高度角最小，約為27度。在夏至日正午，由於太陽高度角過大，陽光照射到屋檐位置後，由於屋檐的阻擋，僅照射在門口，未能進入殿內，因而夏天乾清宮內並不會很熱（夏涼）；在冬至日正午，由於太陽高度角很小，陽光很容易越過屋檐照射到殿內深處（冬暖），且反射到正大光明匾額位置。

　　乾清宮內的金磚地面，是“點亮金匾”的另一個因素。金磚産於蘇州城北的陸慕鎮余窯村，鋪墁工藝苛刻複雜，其中包含“使灰鑽油”工序，在鋪墁完的磚面層上分3次澆築桐油：第1次在幹透的地面上刷生桐油1-2遍，第2次用麻絲搓1-2遍灰油，第3次刷1-2遍光油。澆築後的金磚地面堅固密實，光亮如鏡。冬至日正午的陽光照射在金磚地面，産生了鏡面反射，反射後的光束匯聚到“正大光明”匾額，以及下方的五條金龍位置，使其熠熠生輝。

　　冬至日的正午前後，陽光由西向東依次點亮匾額的“明”“光”“大”“正”字樣，及下方的五條龍。為什麼會形成這樣的次序呢？從地球上看，太陽每日東升西落。冬至日這天，正午前太陽位置在乾清宮的東南側，陽光的照射方向為西北向，因而首先點亮“明”字及西邊的龍；在正午時，太陽的位置在乾清宮的正南側，陽光照射的方向為正北，“光”“大”字及下方正中間部位的龍最亮；正午後，太陽的位置在乾清宮的西南側，陽光照射的方向為東北向，因而“正”字及下方最東側的龍最亮。

　　乾清宮出挑的屋檐，是“點亮金匾”的助力神器。故宮古建築屋頂檐部向外挑出，使得屋面形成優美的曲線，稱為挑檐做法。故宮古建築屋面檐口出挑的尺寸，一般為柱高的1/3左右。這不僅增加了建築的造型之美，而且有利於控制光線照射範圍，即太陽高度角較大時（夏天），進入室內的光線少；太陽高度角小時（冬天），進入室內的光線多。

　　“金光穿洞”的秘密

　　頤和園十七孔橋在冬至日“金光穿洞”奇觀，每年都吸引眾多游人，為什麼會形成這一美景呢？

　　傍晚時分的太陽高度角，為“金光穿洞”提供了適宜的光線高度。在冬至日，太陽高度角隨着太陽的東升西落，呈現由小到大再到小的變化過程。在不同時間段，十七孔橋處的太陽高度角近似值分別為：上午8時，4度，並逐漸增大；中午12時，27度，太陽高度角達到一天的最大值，並逐漸減小；傍晚16時，8度，陽光略高於湖水面，並繼續減小，直至太陽落到地平面以下。不難發現，黃昏時分，太陽高度角很小，陽光照射方向幾乎與湖面平行，有利於光線直接射入到橋洞內壁上，産生“金光穿洞”的效果。

　　黃昏時分的太陽方位角，為“金光穿洞”提供了適宜的照射角度。太陽方位角，即太陽照射方位在地面投影的角度，這一角度以目標位置的正北方為起始方向，太陽的入射方向為終止方向，按照順時針方向逐漸增大。目標位置的太陽方位角與其所處的緯度、日期、時間等因素密切相關。十七孔橋所處緯度約為北緯40度，在冬至日的不同時間段，太陽方位角近似值分別為：上午8時，125度，太陽位於橋的東南側；中午12時，177度，太陽位於橋的南側；黃昏16時，即“金光穿洞”發生時刻，231度，太陽位於橋的西南側。

　　十七孔橋並非完全東西向，而是東端略偏南、西端略偏北，這使得傍晚的陽光並非完全穿過橋洞，部分光線照射到了每個橋洞的東側內壁上。黃昏時段，如果站在橋的西北側，可以看到橋洞東側內壁的金光。隨着太陽方位角進一步增大，光線與橋體夾角進一步減小，照射到橋洞東側內壁的陽光量逐漸減小，最終形成陽光“穿洞”的視覺效果。

　　黃昏時分陽光的散射作用，為“金光穿洞”提供了適宜的色彩來源。太陽光穿過大氣層到達地面，大氣層對陽光具有散射作用。即在大氣中的氣體分子、懸浮微粒的作用下，太陽光不能直線前進，而是四面八方分散射開，産生散射現象。太陽光為復色光，由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫7種單色光組成，其頻率依次增大、波長依次減小，波長越短的光，越容易散射；大氣層厚度越大，光線越容易散射。傍晚的溫度比白天低，大氣層比白天更厚，陽光穿過厚厚的大氣層到達地球表面時，會發生更加明顯的散射。

　　太陽光在黃昏時分抵達十七孔橋的時候，為什麼橋洞呈現的是橙黃色的光芒呢？原來，太陽光中青、藍、紫等波長較短的光在大氣中産生了大量散射，而紅、橙、黃等波長較長的光大量抵達橋體。因此快到日落時，紅、橙、黃混合呈現金黃色，照射在橋洞中，呈現出美不勝收的“金光穿洞”效果。而且隨着夕陽西下，金光的色彩又在不斷發生變化。到日落時分，陽光穿透的大氣層厚度增加，橙、黃等單色光亦産生散射，照射到橋體的陽光以紅色光為主，橋洞呈現出“紅光穿洞”的效果。就像唐代詩人白居易在《登閶門閒望》中説的那樣：“閶閭城碧鋪秋草，鳥鵲橋紅帶夕陽。”

　　十七孔橋的建造藝術，為“金光穿洞”提供了極佳的光線載體。從立面看，石拱橋由橋面、拱圈、橋墩等部分組成。其中，橋面為優雅的拋物線形，猶如湖面上的一道優美曲線，呈現長虹臥波的視覺效果。17個拱圈呈對稱分佈，洞口尺寸由中間向兩邊逐漸減小，産生極強的韻律感。各拱圈通過石塊的堆疊，産生側向擠壓力，不僅有力地支撐了橋面傳來的重量，並將該重量傳遞給橋墩，而且圓弧狀的拱洞産生柔和圓潤之感，凸顯拱圈的曲線之美。碩大的方形橋墩與柔美的弧形拱圈和諧一體，形成力與美的巧妙融合。不僅如此，橋體為實，橋洞為虛，金色的光芒穿過橋洞，照射在內壁上，增添了橋體如夢如幻的意境，凸顯出十七孔橋的建築之美。(周乾)