张华
北京航空航天大学航空科学与工程学院
(注:该文发表于2019年1月28日作者的个人“美篇”)
张华 教授
作者简介:
张华,北京航空航天大学航空科学与工程学院教授,北京市高校教学名师,北京市优秀教师,中国力学学会全国优秀力学教师,北航国家级精品课《空气动力学》优秀主讲教师,北航“我爱我师-十佳教师”,北京力学学会科普委员会副主任,《力学与实践》杂志编委,主要研究方向:旋涡与分离流动,流动控制,风工程,风洞水洞设计。
图1. 作者用手机拍摄的十七孔桥“金光穿洞”(拍摄日期/时间:2019年1月21日/16:58)
图2. 2017年冬天颐和园南湖岛上东南角拍摄和观看“金光穿洞”的人群
图3. 地球自转、公转以及四季更迭示意图(图中标出的四季指北半球中纬度地区)
图4. 地球赤道平面与地球公转平面(黄道平面)的关系
显然在地球自传和公转的过程中,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,参见图3,但这不是本文讨论主题)。
图5. 一年四季太阳对地球的直射光线(小黑圈为北京地区所在的北纬40度)
图6. 北京地区(北纬40度)日出日落示意图
由图6可见冬至时北京日出最偏东南、日落最偏西南,冬至时日落光线(红色)、日出光线(黄色)与颐和园十七孔桥方位的关系参见图7所示,此时日落光线(红色)与十七孔桥的夹角最大(但并不垂直),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),此时上到冰面拍摄将比在南湖岛东南角获得更多的拍摄选择,而在南湖岛上很难将所有十七个桥洞拍全。日落前的20分钟应该是拍摄的最佳时间。
图7 中的东南方向日出光线则几乎与十七孔桥平行,无法形成“金光穿洞”现象。
图7. 冬至时分日落光线(红色)、日出光线(红色)与十七孔桥方位的关系
网上有人声称拍摄“金光穿洞”日期仅限于冬至前后的两、三天之内,我认为拍摄日期基本上可以扩展至冬至前后一个月之内,图1就是作者在冬至(2018年12月22日)之后约一个月的时间(2019年1月21日)用手机拍摄的,可见虽然此时落日不算最为偏南,但落日光线仍然能够穿过十七孔桥所有的整个桥洞。
图8. 夏至时分日落光线(红色)与日出光线(黄色)与十七孔桥方位的关系
然而人们很少能够看见夏至时分拍摄的“金光穿洞”照片,猜测最主要的原因是夏至时日出很早,大约为凌晨4:30,这距颐和园开门时间8:30早了约4个小时,估计这是夏至时节凌晨的“金光穿洞”不为人知的原因。
图8 中夏至日落光线则与十七孔桥基本平行,也不能形成“金光穿洞”景象。