2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——行星大氣中溫度梯度和湍流的分布考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述行星大氣垂直分層的基本依據(jù)及其溫度隨高度變化的主要特征。說明對(duì)流層和平流層溫度隨高度變化規(guī)律不同的主要原因。二、解釋什么是絕熱遞減率。在行星大氣中，絕熱過程是如何影響垂直溫度梯度的？與單純的輻射傳熱主導(dǎo)的區(qū)域相比，對(duì)流混合對(duì)溫度梯度有何調(diào)節(jié)作用？三、溫室效應(yīng)的基本原理是什么？試述二氧化碳、甲烷等溫室氣體在改變行星表面溫度梯度方面所起的作用機(jī)制。比較類地行星和氣態(tài)巨行星溫室效應(yīng)的異同。四、什么是大氣湍流？在行星大氣中，哪些主要的物理因素或過程能夠驅(qū)動(dòng)或維持湍流？簡(jiǎn)述湍流對(duì)大氣混合和能量輸運(yùn)的主要影響。五、混合長(zhǎng)度是描述湍流混合特性的一個(gè)重要參數(shù)。請(qǐng)簡(jiǎn)述混合長(zhǎng)度的物理意義，并說明它如何與湍流擴(kuò)散率聯(lián)系起來。為什么在行星對(duì)流層，混合長(zhǎng)度通常比在平流層要大？六、假設(shè)一顆位于其母恒星宜居帶邊緣的類地行星，其大氣主要由氮?dú)夂脱鯕饨M成，且沒有顯著的溫室氣體。請(qǐng)根據(jù)對(duì)流-輻射平衡的原理，定性描述其可能存在的垂直溫度結(jié)構(gòu)，并說明與具有強(qiáng)溫室效應(yīng)的行星（如金星）相比，其表面溫度和大氣頂層溫度可能存在的顯著差異及其原因。七、理論上，行星大氣頂層的溫度與其接收到的恒星輻射密切相關(guān)。然而，實(shí)際觀測(cè)到的某些行星（例如木星）頂層的溫度卻遠(yuǎn)高于僅憑輻射平衡計(jì)算所得的溫度。結(jié)合湍流和內(nèi)部熱量來源（如行星自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的內(nèi)能耗散）等概念，解釋可能的原因。試卷答案一、行星大氣垂直分層主要依據(jù)大氣壓力隨高度的下降情況。溫度隨高度變化則取決于主導(dǎo)的熱量傳遞機(jī)制。在對(duì)流層，大氣冷卻的主要機(jī)制是輻射散熱，導(dǎo)致溫度隨高度升高而降低。當(dāng)大氣冷卻到露點(diǎn)以下時(shí)，水汽凝結(jié)釋放潛熱，對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，加劇了垂直混合和溫度的下降。在平流層，強(qiáng)烈的平流輻射（主要是臭氧吸收紫外線）使大氣溫度隨高度升高而增加。對(duì)流活動(dòng)在平流層通常較弱。二、絕熱遞減率是指在不與外界進(jìn)行熱量交換的情況下，干空氣或濕空氣因體積膨脹或壓縮而引起的溫度變化率。在行星大氣中，絕熱過程（如抬升、下沉氣流）是導(dǎo)致溫度發(fā)生垂直變化的重要原因。當(dāng)空氣抬升時(shí)，壓力降低，體積膨脹，對(duì)外做功，內(nèi)能減少，溫度下降；反之，空氣下沉?xí)r，壓力增加，體積壓縮，外界對(duì)空氣做功，內(nèi)能增加，溫度上升。絕熱過程使得大氣溫度隨高度的變化率（絕熱遞減率）大致是一個(gè)常數(shù)。對(duì)流混合能夠?qū)⑴諝鈳У礁咛?，冷空氣帶到低處，從而調(diào)節(jié)大氣的垂直溫度分布，使其偏離單純的輻射平衡狀態(tài)，通常使得實(shí)際溫度梯度比純輻射模型預(yù)測(cè)的更平緩。三、溫室效應(yīng)是指大氣中的某些氣體成分（溫室氣體，如二氧化碳CO?、甲烷CH?等）能夠吸收地球表面發(fā)出的紅外輻射，并將其向各個(gè)方向重新輻射，部分輻射返回地表，從而使得地表溫度升高的現(xiàn)象。這些溫室氣體對(duì)可見光吸收很少，但對(duì)紅外輻射有較強(qiáng)的吸收能力。它們像一層“毯子”一樣，阻止了部分地表熱量散失到外太空，導(dǎo)致地表和低層大氣的溫度高于僅由太陽(yáng)輻射決定的溫度。類地行星的溫室效應(yīng)通常較弱或不存在（如地球），主要依賴于大氣成分和表面條件。氣態(tài)巨行星（如木星、土星）擁有濃厚的大氣層，含有大量的甲烷、氨等溫室氣體，其溫室效應(yīng)非常顯著，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度遠(yuǎn)高于從外部觀測(cè)到的溫度。四、大氣湍流是指大氣中流體（氣體）運(yùn)動(dòng)的一種隨機(jī)、無序的波動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)為速度和溫度等參數(shù)在時(shí)間和空間上的隨機(jī)變化。驅(qū)動(dòng)或維持行星大氣湍流的主要因素包括：1）行星自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力，它作用于水平氣流，導(dǎo)致氣流的復(fù)雜變形和混合；2）輻射加熱的不均勻性，即太陽(yáng)輻射在行星表面和大氣中分布不均，導(dǎo)致溫度差異和相應(yīng)的氣壓梯度，進(jìn)而引發(fā)氣流運(yùn)動(dòng)；3）大氣內(nèi)部動(dòng)量、熱量和水汽的輸運(yùn)需求，這種輸運(yùn)過程往往通過湍流的方式實(shí)現(xiàn)，比分子擴(kuò)散或?qū)恿骰旌细行?。五、混合長(zhǎng)度（L）是一個(gè)表征湍流混合效應(yīng)的參數(shù)，它大致描述了由于湍流脈動(dòng)，一個(gè)流體元素在垂直于主氣流方向上被隨機(jī)混合的平均距離。混合長(zhǎng)度越大，湍流混合越強(qiáng)。湍流擴(kuò)散率（κ）與混合長(zhǎng)度和垂直風(fēng)速（w）的關(guān)系通常表示為：κ≈L2w。這意味著混合長(zhǎng)度越大，風(fēng)速越大，湍流擴(kuò)散能力越強(qiáng)。在對(duì)流層，由于存在強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)，空氣被頻繁地抬升和混合到更高的高度，導(dǎo)致混合長(zhǎng)度相對(duì)較大。而在平流層，大氣運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，輻射過程是主要的能量傳遞方式，對(duì)流混合較弱，因此混合長(zhǎng)度通常比在對(duì)流層要小。六、對(duì)于沒有顯著溫室氣體、主要由氮?dú)夂脱鯕饨M成的類地行星，其大氣溫度結(jié)構(gòu)主要受對(duì)流-輻射平衡的制約。在沒有溫室氣體的情況下，地表吸收的太陽(yáng)輻射直接加熱地表，地表再通過輻射向大氣釋放紅外能量。由于缺乏強(qiáng)效紅外吸收氣體，大部分能量會(huì)散失到太空中，導(dǎo)致地表溫度相對(duì)較低。大氣頂層的溫度則主要由行星接收到的總太陽(yáng)輻射量及其散逸到太空的效率決定，理論上應(yīng)接近行星的有效溫度（即黑體輻射溫度）。與具有強(qiáng)溫室效應(yīng)的行星（如金星）相比，該類行星的表面溫度會(huì)顯著偏低，因?yàn)楹笳叩拇髿鈱幽軓?qiáng)烈吸收并向地表和低層大氣回輻射紅外能量，形成強(qiáng)烈的“溫室加熱”效應(yīng)，導(dǎo)致表面溫度遠(yuǎn)超輻射平衡計(jì)算值。同時(shí)，該類行星的大氣頂層溫度可能更接近其有效溫度，而金星由于溫室效應(yīng)，其大氣頂層溫度也可能相對(duì)較高，但遠(yuǎn)低于其酷熱的表面溫度。七、觀測(cè)到的某些行星（如木星）大氣頂層的實(shí)際溫度遠(yuǎn)高于僅憑輻射平衡計(jì)算所得的溫度，這超出了簡(jiǎn)單的對(duì)流-輻射平衡模型。可能的原因包括：1）湍流混合效率：如果大氣中的湍流混合非常有效，能夠?qū)碜孕行莾?nèi)部的熱量快速帶到高層大氣并散逸到太空，這將導(dǎo)致整個(gè)大氣層（包括頂層）的溫度升高?；旌祥L(zhǎng)度越大，湍流混合越強(qiáng)，可能使頂層溫度越高。2）行星自轉(zhuǎn)和內(nèi)部