【科普知音|张华】颐和园十七孔桥“金光穿洞”原理小议
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。
