漂动的回归线
陈韦成、陈光妙
（嘉义市北兴国民中学学生科展作品）

　　一、研究动机：
　　以天文学的眼光来看，台湾的地理位置相当特殊，北回归线正巧从中贯穿。「香港九七，澳门九九」，中国固有的疆域重回中国，中国固有的疆域重回中华民族的怀抱，称之为「回归」。其实「回归」一词是渊源天文专有名词「回归线」（tropic）。
　　常环球弥漫在一股的「回归热」中，全世界注目的焦点密切注意港澳未来的政经变化时，我们兄妹则投入回归线变化的研究。
　　忆儿时，我们兄妹经常跟著爸爸到嘉义县水上乡的北回归线标志去考察，爸爸断断续续研究了好几年回归线移动情形，我们耳濡目染，全家对回归线的移动情形了如指掌，在发现嘉义北回归线标志历史陈迹图时，我们兄妹恰巧也在场做了这段史迹发现的见证。
　　全世界的科学单位常写信到我们家索取相关研究资料，我们也经常收到感谢函，包括美国太空总署宇航研究中心。爸爸看我们在打电脑，要我们兄妹衔接研究利用寒暑假课馀时间使用电脑绘图的方法，自创一套浅显易懂且能确实表示出「回归线的移动」情形。
　　二、研究目的：
　　（1）研究回归线移动的天文因素。
　　（2）考证嘉义县水上乡北回归线标志的建设与科学之关联性。
　　（3）研究回归线的周期性变化。
　　（4）利用电脑研究分析，以电脑绘图来充分表现北回归线的移动状态。
　　（5）从建设历元根据、园林景观、建筑风貌等角度，比较研究（台湾嘉义）与 （云南墨江）两个北回归线标志公园的优劣。
　　三、研究设备与器材：
　　电脑、照相机、天球仪、地球仪、指南针、卷尺、大型地图（世界地图、台湾省地图、中国地图、云南省地图）。
　　四、研究过程：
　　活动一：到嘉义县水上乡北回归线公园实地查访。
　　民国86年7月23～24日，我们到距离嘉义市中心西南约四公里处，再度参访嘉义县水上乡北回归线公园，它的位置在嘉义县水上乡省公路台一线和通往嘉义机场的荣典路交界的丁字口上，整个公园3.1公顷大，以面广三百米，纵深百米，包夹在台湾纵贯铁路和省公路之间。目前主要的设施除旧有的三角形柱状地标一座和形状像幽浮的地标馆一座。
　　首先，我们对三角标志下的标有东西南北方位的圆盘状地景设施进行考证。这是协同中学荣获全国第卅届科览高中组地球科学科第一名，指出他们发现指标误差2.8度。我们使用指北针勘测，结果发现原只是当年施工时，泥水匠用罗经方位来定指标，这种误差在磁差很小的台湾来讲，是普遍常见的错误。
　　当我们进入地标馆内，现有乡公所的清洁队暂时进驻借用一隅做为办公室。据队长侯水道表示，目前工程尚未验收，属建设课管理，等全部工程完全验收后，改隶属民政课管理，清洁队只是暂时性寄人篱下。
　　在还没有正式对外开放的情况下，我们被特别允许进入地标馆内，电梯直上梯直上四楼，一座呈圆形的展示厅，内容空空洞洞，沿著窗边架设了十六台口径九公分的折射式天文望远镜供游客观看。五楼的楼梯出口处，上梁竟只有会撞到头的危险性，可说是整个建设的最大败笔。我们在五楼展望台观望，不消几分钟就有隆隆火车声，每当火车通过似乎部在重复强烈叙述它历尽九十年的沧桑史。
　　在地标馆前有一座省地政处设立的三等控制点，地标馆和旧地标中间有一个地景设施勉强具有天文意义，我们估且将之命名为「阳光通道」，其他的设施只测出北回归线目前无时无刻都在南移，所以我们针对著这座历经九十年传承的古老地标，首重其建标历元。因为假如考证原始建碑运算有错误的话，将是一件永久尴尬的事。
　　活动二：使用电脑研究回归线的移动情形。
　　（1）自写电脑绘图程式，显示北回归线通过宝岛台湾及中国大陆广东、广西、云南等省。
　　（2）自写电脑绘图程式，显示台湾地图北回归线从中贯穿，标出嘉义县北回归线标志位置详细经纬度。
　　（3）利用《回归线黄赤交角变化运算》程式，列印自西元前7500至西元至西元12000年，共计19500年的（北回归线.O分点漂移情形资料），每页30年共计650页，资料项目含儒略日、干支日、回归线真正位置、和水上乡标志相对位置、每年相差的米数。使用如此丰厚的资料，以最严谨的态度对回归线变化周期详加分析研究。
　　（4）利用《回归线黄赤交角变化运算》程式，列印下列三本资料：
　　①从西元-7286年1月1日至-7273年12月31日回归线移动资料。
　　②从西元2008年1月1日至2008年12月31日回归线移动资料。
　　③从西元11291年1月1日至11303年12月31日回归线移动资料。 从这三本资料精密分析黄赤交角的变化最大值及最小值，并计算其平均值，观察整个大周期中移动速度最快的年份。
　　（3）自写电脑绘图程式，利用《回归线黄赤交角变化运算》程式产生的资料档，绘出各种条件的（北回归线漂移图）。由于我们是用电脑绘制320 x 200点的彩色中解析度图，因此许多图形无法在一个萤幕画面完全显示，我们在萤幕上用照相机拍出照片，有时经由多张照片拼凑出有意义的完整图片。

这张电脑绘图中间横线为嘉义县北回归线标志塔，分析由西元前7500年至西元12000年北回归线的移动情形:纵线每条为100年，每1000年用水色线区隔，每2000年标示年代；横线每条为1公里，每10公里用水色线区隔，每20公里标示出公里数。可发现单向期南北相距约180公里。

这张电脑绘图是用来分析西元1900至2000年间整整一个世纪北回归线的移动情形，与嘉义北回归线地标的相对位置，单位是米，章动周期隐约可见。

　　活动三：用科学角度考证嘉义县水上乡北回归线标志的历史传承。
　　民国77年5月下旬，应中央研究院地球科学研究所李太枫博士之研究助理陈正宏博士口头请托，爸爸带我们到嘉义市康乐街名收藏家洪东发的私人博物馆，去鉴定其丰富的奇石收藏中是否有陨石存在。
　　当我们初步鉴定并没有发现有任何陨石的特征，正准备离开时在楼梯口惊讶的发现一张铅笔素描绘画的历代嘉义县水上乡北回归线标志的史迹古图。一直鲜为人知的嘉义北回归线标志的史迹资料经由告知联合报记者叶长庚加以报导，供诸于世让真相大白。引发爸爸对回归线的高度研究兴趣，後来又考证发现洪氏遗漏了一座，且古图经度记载稍误。其前後重修改建共分六代：
　　（第一代）民国前4年10月8日，当时台湾是日本殖民统治下的属地，日本政府为庆祝台湾纵贯铁路全线通车，在铁道旁北纬23度27分4秒51处，建立了首座北回归线大型地标。
　　依黄赤交角的运算程式：1908.0分点的黄赤交角=（84428.26-46.845*.08-.0059 *.08* .08+.00181* .08* .08* .08） 求得结果确实为23度27分4秒51，数据的精准度可说是分秒不差的百倍，我们很佩服当年的测量师在那个时代竟能掌控秒以下两位数，真是不可思议。
　　（第二代）民国6年在强烈台风来袭之後，第一代的塔碑受到受创毁损，民国10年在原址日本人以木头为材料建立了第二代的北回归线标，仅能算是临时性的建设。
　　（第三代）民国12年，为纪念日本裕仁于皇当时以太子的身分来台巡视，改建为泥石塔，于是第三代的标志塔应运而生。其结构上端又是日本风味的丸型结构，碑身三角形，基座为不等边六角。
　　（第四代）第三代於1934～1936年间大幅修改为第四代，民国三十年的大地震受创，碑身龟裂，次年拆除。
　　（第五代）民国31年拆除第四代，改建为第五代的，现在的北回归线标志是民国三十七年由嘉义空军基地设计施工整建。迄今仍矗立在省公铬旁，供来往游客瞻仰。但未标示经纬度：地标意义尽失。
　　（第六代）民国84年，经过多年的兴建，形似幽浮的第六代标志馆落成，建在第五代之东在铁公路中间。目前第五代标志碑塔和第六代地标，双雄并立气势雄伟。民国86年10月，北回归线公园整建工程全部完成验收，免费开放民众参观。目前虽较以往美仑美奂，但真正要有看头的话，要等待其後续工程的建设一科学教育馆。当然连带游客服务中心、人工湖、假山、咖啡屋全部完工後，未来将是一个科学性兼休闲性的景点。
　　活动四：比较（台湾嘉义）和（云南墨江）两个北回归线标志异。
　　台湾的嘉义县有最早期兴建的大型北回归线标志，云南省墨江县的北回归线标志园则是甫建成的大型地标，我们兹对这两个处所比较，列表如次页：

比对项目	台湾嘉义北回归线标志	云南墨江北回归线标志
建标历元根据	原始建设于民国前4年历元根据为1908.0分点	建成于西元1997年历元根据为西元2038年
建标纬度	北纬23度27分4秒51	北纬23度26分3秒
建标目的	为了庆祝台湾纵贯铁路全线通车而建造	集天文、地理、气象、植物等科普知识和园林艺术、民族文化、观赏旅游为一体的地理标志园
建设基地	建在铁公路中间的一片平坦地面上	建在县城之西高度七十米的小山坡上依山而建
主体工程	一座三角碑和一座形似幽浮的地标馆	主标馆外观造型酷似带环的土星，标志是一座圆柱状碑塔
副属工程	除了有一座阳光通道的地景设施外均为一般公园的景观设计	图腾柱太阳之路、浮雕夸父追日、石环、螺旋形建筑超越、四季和日晷均隐含或象征人类对日地宇宙认识变化

　　五、研究结果：
　　（1）造成回归线移动的原因是黄赤交角无时无刻的都在变化，而造成黄赤交角的变化之主要因素有四种：①岁差运动②章动周期③极移问题④板块运动。前三种为天文因素，後者为非天文因素。当黄赤交角逐渐变小时；北回归线南移，南回归线北移；反之当黄赤交角逐渐变大时，北回归线北移，南回归线南移。
　　（2）追溯验证嘉义县水上乡的北回归线标志的建设历元，西元1908年建在北纬23度27分4秒51，按1908.0分点黄赤交角确实吻合，精准度在秒以下两位数，著实令人折服。云南省墨江县的北回归线标志园的建设历元系根据西元2038年将通过北纬23度26分3秒，亦是无误。
　　（3）黄赤交角的变化由最大到最小，复由最小到最大，循环不已。我们求出最近的一个周期最大极限为24度14分38秒.6659，曾出现在西元前7283年到7279年间，共有七天出现过。最小极限为22度37分56秒.0376，将出现在西元11293年到11301年间，共有24天出现。单向周期，应当在18572年～18584年之间。中心位置23度26分17秒.3517，会发生在西元2008年8月21日。
　　（4）用前北回归线每年14公尺多的速度向南移动，离周期正中心不远，移动速度最快的两年，分别是西元2268年和2420年。
　　（5）依照我们自创的电脑绘图程式分析结果，回归线的变化用「漂动」来解释最为恰当。
　　六、讨论：
　　（1）回归线标志的地标设定纯属人为，而回归线因黄赤交角无时无刻均在变化而位置移动不定，因此建设地标要有标准的建设「历元根据」列为首要的先决条件，而这项条件不一定要与实际的建设年代符合，譬如（台湾嘉义）的北回归线标的建设历元根据是依据建成之年（1908.0分点），而（云南墨江）的北回归线标志园的建设历元根据则预先选定为西元2038年。
　　（2）回归线的移动也就是黄赤交角的变化，而影响黄赤交角变化的最大天文因素首推「岁差运动」，次要影响为「章动周期」，「极移问响虽小但也不容忽视，分述如下： 1.岁差运动——地球在绕太阳公转的同时，还受其他行星的引力影响，使地球公转平面（黄道面）发生变化，这在天文学上称为岁差运动，周期 约为25，800年。 2.章动周期——月亮和别的天体影响地球的自转，使地球自转轴在空间作复杂摆动，周期为18.6年，振幅为9.21″，在回归线上作南北方向幅 度0.28公里摆动。 3.极移问题——地球自转轴在地球内部并非固定的，地极的移动致使地球上的每一点经纬度不断的变化，回归线的位置当然也因之移动，周期在一年多，范围仅十几米。这点得到理论和实侧的证实，发现长期极移的迹象，长期累积颇为可观。
　　（3）黄赤交角的变化周期，我们不难求出最近的一个单向周期黄赤交角的最大值和最小值，换句话说回归线在24°14 ′38 ″.6659向22°37′56″.0376问移动。但最大值和最小值的发生时刻，并非单纯在一个时间出现，因此我们在周期的制定采最後一次发生时刻，基本上秉持理由是「大到没有再大，小一次发生时刻，基本上秉持理由是「大到没有再大，小到没有再小」，求出单向周期（由最大到最小）为18579.13237年。在台湾西岸来讲，最北曾在台台中县，最南将抵高屏地区。
　　（4）建设地标的最佳时机，理论上当然宜采黄赤交角变化周期均值为23°26′17″.3517，将发生在西元2008年8月21日。离均值差距大时并非立标良好时机，有赖未来国际间加以规范之。
　　（5）从我们自写电脑绘图分析回归线的移动有如海浪波涛，这种移动情形用「漂」字来加以形容，可谓之最恰当不过了。
　　（6）（台湾嘉义）的北回归线标志，有精准的建标历元根据，丰富的历史沿革和傅承，历史意义受到肯定无庸置疑。（云南墨江）的北回归线标志园，能汇合天文、气象、地理、园林、测绘各方面学者集思广益而设计兴建，较富科学意义。相形比较，各有千秋。
　　七、结论：
　　（1）回归线的移动情形用「漂」一字来形容最为恰当。
　　（2）造成回归线的漂动是因为黄赤交角的变化，其主要的天文因素依影响力排序为①岁差运动②章动周期③极移问题。　　（3）追溯演算和预测未来，黄赤交角的变化：
　　①变化周期：18579.13237年。最近的一个由最大到最小的单向周期。 （西元前7279年～西元11301年）
　　②最大极限：24°14′38″.6659。
　　③最小极限：22°37′56″.0376。
　　④平 均：23°26′17″.3517。（西元2008年8月21日）
　　⑤变化至值：1°36′42″.6283。
　　⑥漂移速度：目前北回归线以每年14多公尺的速度向南漂移，漂移速度最快的两年分别是西元2268年和2420年，年漂移速度为15.207公尺。在黄赤交角变化最大和最小时，几乎是静止不动。
　　注：本书因为篇幅过多，以本文为调节页数之篇幅，原有附图十二只取二图，删去第八项（参考资料），部份考证资料已改正。本文曾参加第十六届嘉义市中小学科学作品展览，获得「佳作」。 （编辑者启）