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【科普知音|张华】颐和园十七孔桥“金光穿洞”原理小议

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风流知音(FLOWS:Physics & beyond)【科普知音】颐和园十七孔桥“金光穿洞”原理小议, 张华

 FPB20191006



颐和园十七孔桥“金光穿洞”原理小议

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。


摘要:

介绍颐和园十七孔桥“金光穿洞”景观原理,讨论最佳拍摄季节、拍摄时间和拍摄角度等问题。


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摄和观看。图1是作者于2019年1月21日(冬至后约一个月)下午16:58在已结冰的昆明湖上拍摄的十七孔桥“金光穿洞”景象。图2是2017年冬颐和园南湖岛上东南角拍摄和观看“金光穿洞”的人群。

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

实际上颐和园十七孔桥的上述“金光穿洞”景观只是在一年之中唯一的冬至季节前后、落日前非常短暂的大约20分钟时段内出现,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。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3所示。同时,由于地球自传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),参见图4所示。

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)。

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5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。

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)

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5可以推测,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6 所示,该图反映了上述由图5 推测的日出日落规律。

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

日落时分出现“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。

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。

由图6 还可见夏至时北京日出最偏东北、日落最偏西北,因此夏至时北京东北方向的日出阳光(黄色)与十七孔桥的角度也达到最大,参见图8 所示。因此夏至时节的日出时也会出现“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8白色箭头)。

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。


注:本文图片除图1为本人所摄之外,其余图片均来自网络,图片版权归原作者所有。

来源:风流知音
航空航天科普控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-09-22
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风流知音
博士 专注空气动力学、流体力学、固体...
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