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阳光+屋檐+金砖 为故宫正大光明匾开启冬至“金光滤镜”
发布时间:2022-01-25  来源:科技日报  

  每年冬至日前后的正午时分,故宫乾清宫内就会出现一番奇特的景象:大殿内“正大光明”匾额及下方的五条金龙会由西向东依次被阳光点亮,发出金色的光芒。冬至日是古人极其重视的节日,古代帝王会选择冬至日祭天,以表达“阴极阳生、万物生长”的祈愿。而乾清宫内正大光明匾额及金龙在冬至日被点亮,也反映了古人在建筑方面的匠心独运。

  乾清宫坐北朝南的建筑方位与太阳照射的方位角相适应,有利于建筑内部合理采光。这种建筑方位的特点为: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或槛窗,北立面一般只在明间开设用于出入的隔扇门。“坐北朝南”是紫禁城重要宫殿的布局方式。我国先秦时期儒家经典《周易》之“说卦”载有:“圣人南面而听天下,向明而治”,即古圣先王坐北朝南而听治天下,面向阳光而治理天下。其科学原因在于:北京位于北回归线以北,每年春分到秋分时期,太阳照射的方位是东偏北升起、西偏北降落,建筑内接受日照较少,不至于过热;而秋分到下一年的春分时期,太阳照射的方位是东偏南升起、西偏南降落,易于大殿内部采光。

  冬至日正午时分(12点)的太阳高度角,有利于阳光直射入乾清宫内部。太阳高度角是指太阳照射方向与地平面的夹角。一天之中,太阳高度角日出和日落时分最小,而在正午时分最大。一年之中,太阳高度角亦不断变化,且与纬度密切相关。北京地区所在的纬度约为北纬40度。在一年四季的正午时分,太阳高度角从冬至日的27度逐渐升到夏至日的73度,然后逐渐下降至第二年冬至日的27度,如此循环。在夏至日,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,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。不仅如此,故宫古建筑屋檐起翘的斜度一般在26度至30度之间,这个角度约等于冬至日正午时分的太阳高度角,可使阳光近似与屋檐“平行”的方向照射到乾清宫深处。

  阳光照在任何物体表面都会产生反射,且表面光泽性较强的物体会产生镜面反射。镜面反射的特点在于:太阳光(可近似认为是平行光)照射到物体表面后,仍以平行光方式产生反射,且反射角与入射角相等。对于乾清宫而言,其殿内采用的是金砖地面,表面如镜般光亮,因而产生镜面反射,且反射后的光束可集中汇聚到殿内相应的位置。

  需要说明的是,金砖属于土质方砖的一种,产地源于苏州城北的陆慕镇余窑村。其土质细腻、含胶状体丰富、可塑性强,加工制作的砖颗粒细腻,质地致密坚硬,且造价昂贵,因而民间称为金砖。故宫古建筑内的金砖地面铺墁,有一道“使灰钻油”的工序。所使用的油为桐油。生桐油是一种植物蛋白胶,一般通过冷榨3—4年的桐树籽得来,外观呈浅棕黄色,光泽度好。浇筑桐油的金砖地面坚固密实,其光亮的表面经过阳光照射后,易产生镜面反射。冬至日正午时分,阳光能够反射到殿内的正大光明匾额正中,金砖地面的镜面反射无疑起到了关键作用。

  另太阳每日在不同时间段的照射方位,有利于乾清宫匾额被“点亮”。地球在绕太阳公转的同时,还自西向东自转,因而太阳相对于地球而言,每天做东升西落的运动。冬至日,在正午前,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;“随后,太阳位置向西移动,照射到匾额的方向由西北向东北移动,因而很快阳光就点亮了“光”字及其下方的龙;在正午时,太阳的位置在乾清宫的正南侧,阳光照射的方向为北向,因而“大”字的东侧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。

  由上可知,乾清宫坐北朝南的建筑布局方式,冬至日正午时分最低的太阳高度角,太阳相对地球东升西落的运行规律,乾清宫科学合理的屋檐起翘角度,光亮金砖地面的反射作用等因素,使得乾清宫正大光明匾额及下方的五条金龙,在冬至日的正午被依次点亮。上述过程包含了极为丰富的古代设计学、光学、天文学、材料学等科学知识,反映了古代工匠卓越的智慧。

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