12月21日，是今年的冬至节气。在冬至前后几天的正午时分，故宫博物院乾清宫“正大光明”匾额被阳光点亮，吸引无数游客驻足观赏。这一“冬至奇观”是如何形成的？

近日，在中国科技馆“中科大讲堂”上，故宫博物院研究馆员周乾揭示了这一奇观背后的奥秘。他还讲解了故宫里明清皇家的地暖系统与冰窖设施，带观众探秘故宫建筑里的科学。

“点亮金匾”与多个因素相关

“乾清宫内‘正大光明’匾额在冬至日前被点亮，与乾清宫的建筑布局、太阳高度角、金砖地面的反射、太阳东升西落的规律、屋檐出挑做法等多个因素密切相关。”周乾说。

他向现场观众介绍说，乾清宫坐北朝南，有利于采光。冬至日，太阳直射南回归线，太阳光对北半球最倾斜，太阳高度角最小。北京当日的太阳高度角约为27度，而故宫古建筑屋檐起翘的斜度一般在26度至30度之间，阳光近似与屋檐“平行”，因此能照射到乾清宫内的金砖上。金砖光亮如镜，使阳光产生镜面反射，反射的光束汇聚到“正大光明”匾额及下方的五条金龙上，使其发出夺目的金光。

“冬季太阳东南升，西南降落，阳光照射方向是由西北到东北，故匾额自西向东依次被点亮。”周乾进一步解释。

他还提到，太阳高度角在冬至日后逐渐变大，北京夏至日的太阳高度角约为73度，大于故宫古建筑屋檐起翘的斜度，故屋檐能将阳光遮挡在室外，保证夏日室内凉爽。

地暖将热量均匀送到室内

每年11月中旬，北京如期供暖，室外寒冬凛冽，室内温暖如春。那么明清时期，故宫里的帝王后妃如何取暖御寒？

据周乾介绍，故宫建筑内主要靠“火地”取暖，相当于现在的地暖。

“火地”由位于窗户外的地下操作口、窗户里的地下炉腔、室内地面砖下面的火道、室外台基侧面的出烟口组成。

服务人员从操作口将木炭放入地下炉腔内，炭火产生的热源沿着火道扩散，加热地砖，被加热的地砖将热量向上传导，保持室内温暖。这一过程中产生的少量烟尘则从出烟口排出火道。

如何让热量在室内均匀扩散？“蜈蚣道”发挥了大作用。热量沿着主烟道向室内深处扩散，再沿着支烟道向两侧扩散，将热量均匀送到室内。因主、支烟道的结构像蜈蚣，故称“蜈蚣道”。火源位置位于室内最低点，主烟道从火源位置向室内延伸，高度逐渐上升，剖面呈斜坡状。这样，热量就能由下向上迅速扩散到室内。

然而，故宫内并非所有建筑都有“火地”。“火地”只设在内廷区域（生活区），就连前朝三大殿都没有，皇帝在冬天举行重要活动时，只得用炭盆取暖。有了“火地”供暖，冬季故宫室内温暖舒适，乾隆皇帝写下：“人苦冬日短，我爱冬夜长……敲诗不觉冷，漏永夜未央。”道光皇帝也写道：“花砖细布擅奇工，暗热松枝地底烘。静坐只疑春煦青，闭眼常觉体冲融……”表达了在故宫“猫冬”的惬意。

每座冰窖能储冰约5000块

明清时期，每年冬天往故宫冰窖里储冰也是一件重要的事。

古文献记载，“冬至三九则冰坚，于夜内凿之，声錾石，曰打冰。”每年“三九”前，皇家打冰队在筒子河、北海挖出大坑，注入净水，使之结冰，并于晚上将冰凿成0.5米见方、重约80公斤的冰块，存放于冰窖中。来年立夏时，工部通过发冰票的方式，把冰块陆续分发给后妃、大臣等。

冰窖里的冰块能存放到来年立夏？“当然，这期间，三分之二的冰块会融化，故冬季会储存夏季用冰量3倍的冰。”周乾解释道。

为了储存足量的冰，故宫里修建了5座长11米、宽6米、半地下式结构的冰窖。冰窖顶部为穹顶式，省去立柱，以获得更大的空间。其墙壁厚度达两米，能更好地隔热保温。每座冰窖大约能存5000块冰。

夏天用冰时少不了“冰鉴”，这是古代的冰箱。据文献记载，冰鉴在周朝时就已出现，用于冷冻食物。到明清时，冰鉴依旧是故宫里最主要的消暑工具。

冰鉴由箱体与箱座两部分组成，周乾介绍说，其使用方法很简单：在箱体内放入冰块，冰块上放架空搁板，搁板上可放西瓜、荔枝、葡萄等夏令水果，盖上面板密封。箱体内的冰块融化，产生凉气，由面板上的钱纹孔向上冒出，散发到室内以降温。冰块融化后的水，则从出水孔流出，进入箱座架子下放置的水盆里。这样，冰鉴既能“冰镇”水果，又能给室内降温。

其实，故宫建筑里还蕴含着更多科学，等待我们去探索揭秘。