故宮火地的操作口與出煙口 周乾供圖

冬至日正午時(shí)分陽光照射乾清宮示意圖 周乾供圖

　　故宮火地平面示意圖。虛線箭頭方向?yàn)闊崃總鞑ヂ肪€，圖中折斷線代表窗戶下部的檻墻。周乾供圖

　　12月21日，是今年的冬至節(jié)氣。在冬至前后幾天的正午時(shí)分，故宮博物院乾清宮“正大光明”匾額被陽光點(diǎn)亮，吸引無數(shù)游客駐足觀賞。這一“冬至奇觀”是如何形成的？

　　近日，在中國科技館“中科大講堂”上，故宮博物院研究館員周乾揭示了這一奇觀背后的奧秘。他還講解了故宮里明清皇家的地暖系統(tǒng)與冰窖設(shè)施，帶觀眾探秘故宮建筑里的科學(xué)。

　　“點(diǎn)亮金匾”與多個因素相關(guān)

　　“乾清宮內(nèi)‘正大光明’匾額在冬至日前被點(diǎn)亮，與乾清宮的建筑布局、太陽高度角、金磚地面的反射、太陽東升西落的規(guī)律、屋檐出挑做法等多個因素密切相關(guān)。”周乾說。

　　他向現(xiàn)場觀眾介紹說，乾清宮坐北朝南，有利于采光。冬至日，太陽直射南回歸線，太陽光對北半球最傾斜，太陽高度角最小。北京當(dāng)日的太陽高度角約為27度，而故宮古建筑屋檐起翹的斜度一般在26度至30度之間，陽光近似與屋檐“平行”，因此能照射到乾清宮內(nèi)的金磚上。金磚光亮如鏡，使陽光產(chǎn)生鏡面反射，反射的光束匯聚到“正大光明”匾額及下方的五條金龍上，使其發(fā)出奪目的金光。

　　“冬季太陽東南升，西南降落，陽光照射方向是由西北到東北，故匾額自西向東依次被點(diǎn)亮。”周乾進(jìn)一步解釋。

　　他還提到，太陽高度角在冬至日后逐漸變大，北京夏至日的太陽高度角約為73度，大于故宮古建筑屋檐起翹的斜度，故屋檐能將陽光遮擋在室外，保證夏日室內(nèi)涼爽。

　　地暖將熱量均勻送到室內(nèi)

　　每年11月中旬，北京如期供暖，室外寒冬凜冽，室內(nèi)溫暖如春。那么明清時(shí)期，故宮里的帝王后妃如何取暖御寒？

　　據(jù)周乾介紹，故宮建筑內(nèi)主要靠“火地”取暖，相當(dāng)于現(xiàn)在的地暖。

　　“火地”由位于窗戶外的地下操作口、窗戶里的地下爐腔、室內(nèi)地面磚下面的火道、室外臺基側(cè)面的出煙口組成。

　　服務(wù)人員從操作口將木炭放入地下爐腔內(nèi)，炭火產(chǎn)生的熱源沿著火道擴(kuò)散，加熱地磚，被加熱的地磚將熱量向上傳導(dǎo)，保持室內(nèi)溫暖。這一過程中產(chǎn)生的少量煙塵則從出煙口排出火道。

　　如何讓熱量在室內(nèi)均勻擴(kuò)散？“蜈蚣道”發(fā)揮了大作用。熱量沿著主煙道向室內(nèi)深處擴(kuò)散，再沿著支煙道向兩側(cè)擴(kuò)散，將熱量均勻送到室內(nèi)。因主、支煙道的結(jié)構(gòu)像蜈蚣，故稱“蜈蚣道”。火源位置位于室內(nèi)最低點(diǎn)，主煙道從火源位置向室內(nèi)延伸，高度逐漸上升，剖面呈斜坡狀。這樣，熱量就能由下向上迅速擴(kuò)散到室內(nèi)。

　　然而，故宮內(nèi)并非所有建筑都有“火地”?！盎鸬亍敝辉O(shè)在內(nèi)廷區(qū)域（生活區(qū)），就連前朝三大殿都沒有，皇帝在冬天舉行重要活動時(shí)，只得用炭盆取暖。有了“火地”供暖，冬季故宮室內(nèi)溫暖舒適，乾隆皇帝寫下：“人苦冬日短，我愛冬夜長……敲詩不覺冷，漏永夜未央?！钡拦饣实垡矊懙溃骸盎ùu細(xì)布擅奇工，暗熱松枝地底烘。靜坐只疑春煦青，閉眼常覺體沖融……”表達(dá)了在故宮“貓冬”的愜意。

　　每座冰窖能儲冰約5000塊

　　明清時(shí)期，每年冬天往故宮冰窖里儲冰也是一件重要的事。

　　古文獻(xiàn)記載，“冬至三九則冰堅(jiān)，于夜內(nèi)鑿之，聲鏨石，曰打冰。”每年“三九”前，皇家打冰隊(duì)在筒子河、北海挖出大坑，注入凈水，使之結(jié)冰，并于晚上將冰鑿成0.5米見方、重約80公斤的冰塊，存放于冰窖中。來年立夏時(shí)，工部通過發(fā)冰票的方式，把冰塊陸續(xù)分發(fā)給后妃、大臣等。

　　冰窖里的冰塊能存放到來年立夏？“當(dāng)然，這期間，三分之二的冰塊會融化，故冬季會儲存夏季用冰量3倍的冰。”周乾解釋道。

　　為了儲存足量的冰，故宮里修建了5座長11米、寬6米、半地下式結(jié)構(gòu)的冰窖。冰窖頂部為穹頂式，省去立柱，以獲得更大的空間。其墻壁厚度達(dá)兩米，能更好地隔熱保溫。每座冰窖大約能存5000塊冰。

　　夏天用冰時(shí)少不了“冰鑒”，這是古代的冰箱。據(jù)文獻(xiàn)記載，冰鑒在周朝時(shí)就已出現(xiàn)，用于冷凍食物。到明清時(shí)，冰鑒依舊是故宮里最主要的消暑工具。

　　冰鑒由箱體與箱座兩部分組成，周乾介紹說，其使用方法很簡單：在箱體內(nèi)放入冰塊，冰塊上放架空擱板，擱板上可放西瓜、荔枝、葡萄等夏令水果，蓋上面板密封。箱體內(nèi)的冰塊融化，產(chǎn)生涼氣，由面板上的錢紋孔向上冒出，散發(fā)到室內(nèi)以降溫。冰塊融化后的水，則從出水孔流出，進(jìn)入箱座架子下放置的水盆里。這樣，冰鑒既能“冰鎮(zhèn)”水果，又能給室內(nèi)降溫。

　　其實(shí)，故宮建筑里還蘊(yùn)含著更多科學(xué)，等待我們?nèi)ヌ剿鹘颐亍?/span>

　?。ㄔ瓨?biāo)題：冬日，探秘故宮建筑里的科學(xué)）

　?。▉碓矗嚎破諘r(shí)報(bào)?作者：王文潔?責(zé)任編輯：曹銳怡）