2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——行星形成和演化的時(shí)代特征考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述康德-拉普拉斯星云假說(shuō)的主要內(nèi)容及其歷史局限性。二、現(xiàn)代太陽(yáng)星云模型的主要理論基礎(chǔ)是什么？與早期模型相比，它在解釋哪些觀測(cè)事實(shí)方面取得了突破？三、原行星盤(pán)的演化和結(jié)構(gòu)對(duì)其中的物質(zhì)吸積過(guò)程有何影響？請(qǐng)描述至少兩種影響機(jī)制。四、碰撞在行星形成和演化過(guò)程中扮演著怎樣的角色？請(qǐng)分別說(shuō)明碰撞在早期地球形成和木星快速增長(zhǎng)中的作用。五、氣態(tài)巨行星和冰巨行星在形成過(guò)程中可能存在哪些差異？這些差異如何反映了它們所在的原行星盤(pán)環(huán)境的區(qū)別？六、放射性元素衰變?nèi)绾斡绊懶行堑膬?nèi)部熱演化和地質(zhì)活動(dòng)？請(qǐng)舉例說(shuō)明其對(duì)不同類(lèi)型行星（如地球、火星）演化的影響。七、潮汐作用可以引發(fā)或改變行星的哪些演化過(guò)程？請(qǐng)分別以月球公轉(zhuǎn)能量的損失和木星衛(wèi)星系統(tǒng)的形成為例進(jìn)行說(shuō)明。八、與類(lèi)地行星相比，系外行星的觀測(cè)顯示出哪些獨(dú)特的演化特征或形成機(jī)制？這些特征對(duì)我們理解太陽(yáng)系行星的形成有何啟示？九、太陽(yáng)系早期是否存在巨撞擊事件？這些事件對(duì)地球、月球以及太陽(yáng)系整體結(jié)構(gòu)的形成和演化產(chǎn)生了哪些主要影響？十、現(xiàn)代空間探測(cè)技術(shù)（如光譜分析、成像等）在獲取行星形成和演化證據(jù)方面提供了哪些關(guān)鍵信息？請(qǐng)列舉至少三種不同的觀測(cè)證據(jù)及其對(duì)應(yīng)的研究成果。十一、簡(jiǎn)述行星大氣層演化的主要控制因素及其對(duì)行星宜居性的影響。以金星和火星為例，分析其大氣層演化路徑的差異及其原因。十二、什么是行星的“時(shí)代特征”？結(jié)合具體的科學(xué)實(shí)例，闡述這一概念在行星形成和演化研究中的重要性。試卷答案一、主要內(nèi)容：認(rèn)為太陽(yáng)系起源于一個(gè)巨大的、旋轉(zhuǎn)的星云云團(tuán)，在自身引力作用下逐漸收縮，旋轉(zhuǎn)速度增加，最終坍縮成一個(gè)中心星（太陽(yáng)）和圍繞它旋轉(zhuǎn)的行星原始星云。在星云中，塵埃和冰塊通過(guò)吸積形成微行星，微行星再通過(guò)碰撞和吸積逐漸增長(zhǎng)成為行星。歷史局限性：無(wú)法解釋行星軌道的共面性、同向性；未能說(shuō)明行星質(zhì)量分布的巨大差異（如類(lèi)地行星與巨行星質(zhì)量懸殊）；對(duì)構(gòu)成行星的元素的起源和分布解釋不足；缺乏對(duì)早期太陽(yáng)星云動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)（如氣體流、磁盤(pán)不穩(wěn)定性）的描述。二、主要理論基礎(chǔ)：核心是引力不穩(wěn)定性（如愛(ài)丁頓不穩(wěn)定性）在太陽(yáng)星云的某些區(qū)域（特別是富含氦和冰的區(qū)域）引發(fā)原行星盤(pán)的形成，并通過(guò)保角流、磁場(chǎng)等機(jī)制實(shí)現(xiàn)物質(zhì)向中心吸積和角動(dòng)量轉(zhuǎn)移，最終形成不同類(lèi)型的行星。突破：成功解釋了行星軌道的共面性和同向性；合理預(yù)測(cè)了系外行星系統(tǒng)的普遍存在及其多樣性；能夠區(qū)分不同類(lèi)型行星（類(lèi)地、氣態(tài)、冰巨）的形成區(qū)域和物質(zhì)組成；提供了行星系統(tǒng)形成和演化的動(dòng)態(tài)模型，能夠解釋行星質(zhì)量分布的差異；將觀測(cè)到的系外行星系統(tǒng)特征（如熱木星、多行星系統(tǒng)）納入理論框架。三、影響機(jī)制：1.氣體壓力梯度：原行星盤(pán)內(nèi)溫度和密度分布不均，形成壓力梯度，驅(qū)動(dòng)物質(zhì)在徑向上和角向運(yùn)動(dòng)，影響吸積效率和物質(zhì)分布。2.磁場(chǎng)耦合：星云中的磁場(chǎng)可以束縛帶電粒子，通過(guò)離子聲波、阿爾文波等與固體顆粒耦合，影響顆粒的生長(zhǎng)、沉降和輸運(yùn)，進(jìn)而影響吸積過(guò)程。3.固體顆粒的沉降：較大的固體顆粒在氣體中沉降，改變局部氣體和固體的密度分布，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，影響后續(xù)的碰撞和吸積。4.湍流：星云中的湍流運(yùn)動(dòng)為固體顆粒提供隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，增加顆粒相互碰撞的機(jī)會(huì)，但也可能阻礙其向中心沉降，影響吸積效率。四、碰撞作用：1.早期地球形成：早期地球通過(guò)不斷吸積大量小型天體（planetesimals）和火星大小的原行星（protoplanet）形成。這些碰撞不僅提供了物質(zhì)，也帶來(lái)了巨大的能量，導(dǎo)致地球猛烈熔融，形成分層結(jié)構(gòu)（地核、地幔、地殼），并可能引發(fā)了早期的大規(guī)?；鹕交顒?dòng)和水汽輸入。2.木星快速增長(zhǎng)：木星在其形成的早期階段（形成后約數(shù)百萬(wàn)年），可能通過(guò)快速吸積周?chē)脑行俏镔|(zhì)經(jīng)歷了“核心Accretion”階段，形成了足夠大的核心（可能超過(guò)地球質(zhì)量的10-20倍），隨后迅速?lài)@核心吸積了大量氫和氦氣體，快速增長(zhǎng)成為氣態(tài)巨行星。這個(gè)過(guò)程需要頻繁而劇烈的碰撞來(lái)不斷補(bǔ)充物質(zhì)。五、差異：1.形成區(qū)域與物質(zhì)組成：氣態(tài)巨行星（如木星、土星）主要形成于太陽(yáng)星云的外部區(qū)域，那里的溫度較低，允許水、氨、甲烷等冰狀物質(zhì)的凝結(jié)，因此可以積累大量固體物質(zhì)核心，并捕獲巨量氣體。冰巨行星（如天王星、海王星）形成區(qū)域更遠(yuǎn)，但可能位于冰線(xiàn)附近，核心相對(duì)較小，同樣捕獲了大量冰物質(zhì)，但氣體含量可能不如氣態(tài)巨行星。2.形成時(shí)間與機(jī)制：有理論認(rèn)為，木星等氣態(tài)巨行星可能通過(guò)引力不穩(wěn)定性快速形成，并在短時(shí)間內(nèi)擾動(dòng)了內(nèi)太陽(yáng)系的物質(zhì)分布。冰巨行星的形成可能更接近現(xiàn)代太陽(yáng)星云模型描述的逐步吸積過(guò)程。3.最終質(zhì)量與成分：氣態(tài)巨行星質(zhì)量遠(yuǎn)超冰巨行星，且大氣以氫、氦為主。冰巨行星雖然質(zhì)量介于類(lèi)地行星和氣態(tài)巨行星之間，但大氣成分中重元素（水、氨、甲烷）的比例相對(duì)較高。反映的環(huán)境區(qū)別：氣態(tài)巨行星形成于更冷、更富含冰物質(zhì)的星云區(qū)域，且可能經(jīng)歷了更劇烈的早期增長(zhǎng)過(guò)程。冰巨行星形成于次冷區(qū)域，冰物質(zhì)是其增長(zhǎng)的關(guān)鍵。六、影響：1.內(nèi)部熱演化：放射性元素（如鈾、釷、鉀）在行星內(nèi)部衰變，釋放α粒子、β粒子、γ射線(xiàn)等，產(chǎn)生熱量。這些熱量是早期行星（如地球、月球）保持內(nèi)部熔融、驅(qū)動(dòng)地質(zhì)活動(dòng)（如板塊運(yùn)動(dòng)、火山噴發(fā)）的主要能源。隨著放射性元素逐漸衰變耗盡，行星內(nèi)部將逐漸冷卻。2.對(duì)地球演化的影響：放射性熱源是維持地球內(nèi)部熔融、驅(qū)動(dòng)板塊構(gòu)造、地幔對(duì)流和火山活動(dòng)的關(guān)鍵。它還可能為早期海洋的形成和維持地表溫度提供了部分能量，并對(duì)生命起源和演化的環(huán)境條件產(chǎn)生了影響。3.對(duì)火星演化的影響：火星早期也存在顯著的放射性熱源，支持了其早期可能存在全球性液態(tài)水海洋的假說(shuō)。但隨著放射性元素的衰變和物質(zhì)分異，火星內(nèi)部熱量迅速耗散，地質(zhì)活動(dòng)減弱，大氣和水損失嚴(yán)重，最終導(dǎo)致火星進(jìn)入寒冷、干燥的現(xiàn)今狀態(tài)。七、引發(fā)或改變的過(guò)程：1.潮汐加熱：行星或衛(wèi)星與母體（或其他天體）之間的潮汐力可以導(dǎo)致物質(zhì)（特別是流體）的摩擦生熱。例如，木星的衛(wèi)星歐羅巴、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三內(nèi)部由于受到木星引力的復(fù)雜潮汐力作用，產(chǎn)生劇烈的tidalheating，使其內(nèi)部保持熔融狀態(tài)，并可能存在全球性的液態(tài)水海洋。2.軌道參數(shù)改變：潮汐相互作用可以改變行星或衛(wèi)星的軌道參數(shù)，如軌道半長(zhǎng)軸、偏心率、傾角等。例如，地球與月球之間的潮汐鎖定導(dǎo)致月球繞地球公轉(zhuǎn)的周期與自轉(zhuǎn)周期相同，且月球的軌道傾角非常小。太陽(yáng)通過(guò)對(duì)其行星系統(tǒng)的潮汐作用，逐漸減小了行星軌道的偏心率。3.自轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)：潮汐力可以緩慢地調(diào)節(jié)行星的自轉(zhuǎn)速度，使其趨于與軌道運(yùn)動(dòng)同步（潮汐鎖定），如月球已被地球潮汐鎖定。對(duì)于某些行星，潮汐作用也可能使其自轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。八、獨(dú)特特征或機(jī)制：1.質(zhì)量范圍廣：系外行星的質(zhì)量跨度極大，從接近地球的小質(zhì)量行星到遠(yuǎn)超木星的巨型行星，遠(yuǎn)超太陽(yáng)系內(nèi)行星的質(zhì)量范圍。2.軌道特性多樣：熱木星（近距離圍繞恒星運(yùn)行的大型氣態(tài)行星）的存在表明行星可以在短時(shí)間內(nèi)快速遷移到靠近母恒星的位置；長(zhǎng)周期、高偏心率的行星提示行星軌道演化可能涉及復(fù)雜的相互作用或形成機(jī)制。3.大氣成分的直接探測(cè)：通過(guò)光譜分析，部分系外行星的大氣成分（如水蒸氣、甲烷、氨）被直接探測(cè)到，這為研究不同物理化學(xué)條件下行星大氣的形成和演化提供了寶貴信息。對(duì)太陽(yáng)系行星演化的啟示：1.行星形成和遷移是一個(gè)普遍和活躍的過(guò)程，太陽(yáng)系行星的演化路徑可能并非普遍模式。2.行星形成的環(huán)境（如原行星盤(pán)的性質(zhì)、恒星的活動(dòng)性）可能存在很大差異。3.對(duì)太陽(yáng)系行星（特別是類(lèi)地行星）的演化歷史需要重新評(píng)估，以納入系外行星觀測(cè)帶來(lái)的新視角和約束。九、是否存在：是的，大量地質(zhì)和天文證據(jù)表明太陽(yáng)系在形成早期（約45億年前）經(jīng)歷了一系列大規(guī)模的巨撞擊事件。最著名的例子是“大碰撞假說(shuō)”，認(rèn)為火星大小的原行星（稱(chēng)為“忒伊亞”，Theia）與早期地球發(fā)生碰撞，形成了月球。主要影響：1.月球的形成：“大碰撞假說(shuō)”是目前解釋月球起源的主流理論，認(rèn)為碰撞噴射出的物質(zhì)在地球引力作用下聚集形成了月球。2.地球的組成和分層：巨碰撞導(dǎo)致地球猛烈熔融，促進(jìn)了元素分異，形成了地核、地幔和地殼，并可能將大量揮發(fā)性物質(zhì)（如水、氮）噴射到太空（部分可能后來(lái)被地球大氣捕獲）。3.太陽(yáng)系行星軌道的塑造：早期頻繁的碰撞和引力擾動(dòng)可能改變了行星的形成軌道，將它們推向現(xiàn)今的位置，并可能導(dǎo)致了某些行星（如火星）質(zhì)量的改變。4.地球大氣和海洋的形成：碰撞可能向地球注入了形成大氣和早期海洋所需的水分和揮發(fā)物。十、關(guān)鍵信息：1.光譜分析：通過(guò)分析行星反射或發(fā)射的光譜，可以識(shí)別行星大氣中的特定分子（如水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氨），確定其大氣成分、溫度結(jié)構(gòu)、云層特性等。例如，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡利用光譜學(xué)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)系外行星大氣中的水蒸氣。2.成像觀測(cè)：直接成像技術(shù)（如coronagraphs或空間干涉儀）試圖“遮擋”恒星光線(xiàn)，從而觀測(cè)到圍繞其運(yùn)行的行星。這可以提供行星的大小、形狀、表面特征、反照率等信息。目前對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)行星和部分距離較近、較大的系外行星已實(shí)現(xiàn)直接成像。3.徑向速度測(cè)量：通過(guò)精確測(cè)量恒星周期性的“搖擺”（由行星引力引起），可以推算出行星的質(zhì)量和軌道半長(zhǎng)軸。這是發(fā)現(xiàn)首批系外行星的主要方法，為行星系統(tǒng)的基本參數(shù)提供了關(guān)鍵約束。4.凌日法（TransitMethod）：當(dāng)行星從其母恒星前方經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)短暫遮擋恒星部分光線(xiàn)，導(dǎo)致恒星亮度周期性下降。通過(guò)測(cè)量光變曲線(xiàn)的深度、寬度和周期，可以確定行星的大小、軌道半徑和公轉(zhuǎn)周期。開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡和TESS任務(wù)利用此方法發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星。5.測(cè)光法（Microlensing）：利用遙遠(yuǎn)恒星被前景星系或行星引力透鏡產(chǎn)生的彎曲光線(xiàn)效應(yīng)，可以探測(cè)到質(zhì)量較小的行星（包括系外行星和棕矮星）。每次引力透鏡事件是短暫的，可以提供行星質(zhì)量和大小的信息。十一、主要控制因素：1.行星質(zhì)量與重力：決定了行星吸引和gi?gi?住大氣的能力。2.表面溫度：影響大氣分子的運(yùn)動(dòng)速度和逃逸傾向。3.恒星紫外輻射和風(fēng)：高能粒子流和恒星風(fēng)可以剝離行星大氣，特別是輕元素組成的大氣。4.行星磁場(chǎng)：強(qiáng)磁場(chǎng)可以偏轉(zhuǎn)恒星風(fēng)和太陽(yáng)風(fēng)，保護(hù)行星大氣免受剝離。5.大氣化學(xué)成分：不同分子的逃逸速度不同，影響大氣演化的具體路徑。6.板塊構(gòu)造和火山活動(dòng)：可以向大氣釋放氣體（如二氧化碳、水蒸氣），影響大氣成分和氣候。對(duì)宜居性的影響：*充足、適宜的大氣層可以調(diào)節(jié)地表溫度，維持液態(tài)水；阻擋有害的紫外線(xiàn)輻射；提供大氣壓，使液態(tài)水能夠存在；成分適宜（如氧氣對(duì)生命）。*金星：質(zhì)量不足以留住大氣，但強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)導(dǎo)致表面極熱。大氣成分以二氧化碳為主（約96%），導(dǎo)致極端溫室效應(yīng)。*火星：早期可能存在較厚的大氣，但逐漸失去，原因包括質(zhì)量不足、表面溫度過(guò)高（缺乏強(qiáng)磁場(chǎng)）、強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)剝離。現(xiàn)在大氣稀?。ú坏降厍虻?%），主要成分是二氧化碳，表面寒冷干燥。十二、行星的“時(shí)代特征”：指在特定的歷史時(shí)期（如太陽(yáng)系形成的早期、中期、晚期，或與其他行星系統(tǒng)對(duì)比時(shí)），行星形成和演化所表現(xiàn)出的獨(dú)特性、階段性或與其他時(shí)期的顯著差異。這些特征通常由當(dāng)時(shí)的物理?xiàng)l件（如原行星盤(pán)的性質(zhì)、恒星的活動(dòng)狀態(tài)、行星間的相互作用）、關(guān)鍵的物理過(guò)程（如巨碰撞、放射性衰變、潮汐加熱）以及可用的觀測(cè)證據(jù)所決定。重要性：1.區(qū)分不同演化階段：識(shí)別時(shí)代特征有助于理解行星在不同時(shí)期所經(jīng)歷的主要過(guò)程和狀態(tài)變化，如從熔融的早期地球到具有板塊構(gòu)造的晚期地球，或從原行星盤(pán)捕獲氣體形成巨行星的早期階段到穩(wěn)定運(yùn)行的晚期階段。2.揭示形成機(jī)制差異：通過(guò)比較不同行星（尤其是太陽(yáng)系內(nèi)外行星）的時(shí)代