<p class="ql-block">十七孔桥是皇家园林颐和园中最大的石桥，建于清乾隆十五年，即1750年，桥长150米。桥正中的大孔，从桥两端数都是第“9”个孔，而“9”被称为极阳数，是过去封建帝王最喜欢的吉利数字，所以将桥建成十七孔。</p><p class="ql-block">当时的设计者在建造桥时利用了天文地理知识，当太阳在冬至前后下午最低点照射石桥时，阳光会贯穿照亮所有桥洞，呈现“金光穿洞”的奇观，这也是设计者的神来之笔。</p> <p class="ql-block">坐落在北京西北郊的颐和园是著名的清朝皇家园林，它以万寿山为依托，参照杭州西湖修建的昆明湖为主要景色，荟萃了十七孔桥、铜牛、石舫、佛香阁、铜亭、苏州街等众多景观。最近几年，颐和园十七孔桥的“金光穿洞”景观突然火了起来，每当十七孔桥出现“金光穿洞”奇观的时候，总会吸引大批的摄影爱好者和游客扎堆拍照，”景观只是在一年之中唯一的冬至季节前后、落日前大约1~2 小时15 分钟时段内出现（介于金光穿洞的“起始点”和“结束点”之间，详见本文第3 部分），并且人只有在桥的西北方向往东南方向观察、拍摄才能获得最佳的“金光穿洞”观感和照片。要解释清楚上述问题，需要一点简单的天文、地理和物理学知识。</p> <p class="ql-block">众所周知，地球不停地以24 小时为周期绕地轴自转、同时以365 天(均为大约)为周期绕太阳公转，如图2 所示。同时，由于地球自转和公转的过程中地轴永远指向北极星，因此赤道平面与地球公转轨道平面(也称黄道平面)存在23 度26 分的夹角(黄赤交角)</p> <p class="ql-block">显然在地球自转和公转的过程中，太阳光线直射至地球的地区(线)并不总是赤道，而是随着地球的自转与公转，太阳光线直射至地球的地区(线)有时偏北有时偏南，太阳光线能够直射至北半球最北的线称为北回归线，太阳光线能够直射至南半球最南的线称为南回归线，南、北回归线的纬度分别为南纬和北纬23 度26 分(与黄赤交角相等)。一年之中太阳在地球上的直射点将在南、北回归线之间回归变化，由此也形成了地球上南、北半球不同的四季更迭(主要指中纬度地区的四季更迭，在赤道附近主要表现为四季不分明的热带气候，而在两极圈内主要体现为半年极昼或半年极夜现象，</p> <p class="ql-block">如果将地球作为固定不动的参考坐标系，则一年四季中太阳对地球的直射光线如图所示，其中位于北回归线上方的黑色小圆圈为北京地区所在的北纬40 度。显然一年中太阳直射时(正午)太阳都在北京上空偏南的方向，在夏季正午我们还能感觉到太阳基本当头照，而在冬季正午太阳则在偏南方向比较低的空中。冬至时太阳直射南回归线，这是一年之中北京地区感到太阳最偏南、在空中高度最低的时间，因此冬至时北京西下的落日点也是最偏南的。</p> <p class="ql-block">颐和园十七孔桥“金光穿洞”现象与不同季节的日落和日出方向密切相关。由图在春分和秋分日(两分日)由于太阳直射赤道，全球均为正东日出、正西日落( 两极圈内除外，下同)；在两分与夏至期间全球均为东北方日出、西北方日落；在两分与冬至期间全球均为东南方日出、西南方日落。北京地区(北纬40 度)日出日落规律如图5 所示，反映了上述由图4推测的日出日落规律。可见冬至日北京日出最偏东南、日落最偏西南，此时日落、日出光线与十七孔桥方位的关系参见图6(红色为日落光线，黄色为日出光线)，其中十七孔桥的方位为东偏南21.3 度，冬至日日出光线的方位为东偏南31.7 度、冬至日日落光线的方位为西偏南31.7 度，因此冬至日日落光线(红色)与十七孔桥的夹角最大，约为31.7+21.3=53 度，由于桥洞足够大而桥宽有限，日落光线能够贯穿整个桥洞并照亮桥洞的东侧壁面，此时南湖岛东南角就成为观赏和拍摄“金光穿洞”的最佳位置之一。冬至之后昆明湖面会逐步结冰(具体结冰时间视年份有所不同)，此时上到冰面(颐和园常年开放冬季冰场)拍摄将比在南湖岛东南角获得更多的拍摄选择和更佳的拍摄效果。图6 中冬至日的日出光线(黄色)与桥的夹角约为31.7-21.3=10.4 度，几乎与十七孔桥平行，光线无法穿过桥洞形成“金光穿洞”现象。</p> <p class="ql-block">另外由图5 所示，可见夏至日北京日出最偏东北、日落最偏西北。夏至日的日出、日落光线与十七孔桥的方位关系参见图7 所示，其中红色代表日落光线、黄色代表日出光线，可见日出光线与十七孔桥的角度也达到最大，约为31.7+21.3=53 度，因此夏至日日出时也会出现“金光穿洞”景象，此时的最佳拍摄位置是在十七孔桥南侧、昆明湖东南岸，拍摄方向是向西北方向拍摄(参见图7 白色箭头)。图7 中夏至日日落光线(红色)则与十七孔桥基本平行(日落光线与桥的夹角约为10.4 度)，将不能形成“金光穿洞”景象。</p> <p class="ql-block">出现“金光穿洞”效果另一个重要因素是：日出和日落时太阳光线将穿过很厚的大气层，由于日光中波长较短的紫、蓝、青等光线穿过厚大气层容易发生散射，而波长较长的红、橙、黄光具有较强的透射能力，从而体现出以红、橙、黄光为主的光影效果。</p> <p class="ql-block">然而人们很少能够看见夏至时分拍摄的“金光穿洞”照片，其中的原因之一是夏至时日出很早，大约为凌晨4:30，这比颐和园夏季开门时间6:30 早了约2个小时，因此夏至日的“金光穿洞”几乎不为人知。实际也是可以形成此景。</p> <p class="ql-block">金光穿洞”的持续时间，我们根据十七孔桥桥宽(6.6 米)，桥墩高度(2.5 米)、拱洞的净跨(中间8.5 米、两侧4.5 米)①和昆明湖平均水深位(1.5米)，建立了简化的模型，得到了“金光穿洞”时太阳光和十七孔桥方位与桥孔的角度关系。</p> <p class="ql-block">先对冬至日的“金光穿洞”时间进行分析。由于最小拱洞的高度和宽度都最小，光线开始穿过拱洞直到后来完全不能穿过拱洞都以最小拱洞来分析。日落过程中当光线开始穿过最小拱洞时（称为“起始点”）光线对其他大拱洞也都能穿过，此时“金光穿洞”开始；当光线不能从最小拱洞穿过时（称为“结束点”），“金光穿洞”结束（尽管此后其他大拱洞仍有光线穿过）。“起始点”的光线特点是：最小拱洞东侧壁面上光线与水面形成锐角且光线与拱洞东北棱角与水面的交点相交，如图10 所示。“结束点”的光线特点是：光线完全收入最小拱洞，且光线与最小拱洞东北棱角基本平行（拱顶附近除外），</p> <p class="ql-block">冬至日“金光穿洞”的持续时间约为2 小时15 分钟值得指出的是，由于最小拱洞的宽度限制，自“结束点”至完全日落之间光线都不能穿过最小拱洞，且随着日期距离冬至日越远，不能穿过的小拱洞数目越多，直至所有拱洞都不能被光线穿过，即在非冬至日上述“穿洞”持续时间将逐一缩短（起始点时间延后、结束点时间提前）。实际上在冬至日前后约1 个月的时间内即可观察到全部桥洞的“金光穿洞”现象，只是这时“穿洞”的持续时间比冬至日相对较短罢了。</p> <p class="ql-block">初次知道有这个美景源于一位摄影老哥照片的分享，最初的理论支撑以为是水面光的反射和折射，美景不常有，在追逐美的过程中慢慢学会了了解背后的故事，原理，知道不一定有用，但一定会让人变得有内涵，至少和人家交流时不至于憨憨的无言以对，正常的交流一定会让人有趣，现在社会知识的汲取途径越来越广泛，行走中积累，写出来普及，希望看到的你有所得。</p>