2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——地球大氣與太陽輻射的關系考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪種現(xiàn)象主要是由于大氣中的水汽和二氧化碳對長波輻射具有選擇性吸收而引起的？A.天空呈現(xiàn)藍色B.日落時分天空呈現(xiàn)紅色C.地球能量平衡的實現(xiàn)D.溫室效應2.導致天空呈現(xiàn)藍色的主要原因是？A.大氣中的塵埃對長波輻射的吸收B.大氣中的臭氧層對紫外線的吸收C.大氣分子對短波輻射（藍紫光）的瑞利散射D.云層對可見光的反射3.下列哪種氣體成分主要吸收太陽光譜中的紫外線？A.氧氣(O?)B.氮氣(N?)C.臭氧(O?)D.水蒸氣(H?O)4.在太陽輻射到達地表的過程中，大氣層中哪個過程會導致到達地表的太陽輻射能量減少？A.大氣透射B.大氣反射（反照率）C.大氣散射D.大氣吸收5.所謂的“大氣窗口”指的是？A.大氣對太陽輻射吸收最強的波段B.大氣對各種波長輻射透過率都相同的區(qū)域C.大氣對特定波長輻射透過率較高的波段D.大氣中水汽含量最高的垂直層6.地球大氣中的臭氧層主要對下列哪種波段的太陽輻射有強烈的吸收作用？A.可見光B.紅外線C.紫外線D.無線電波7.地球能量平衡的基本原理是？A.地球接收的太陽輻射量總是大于其向外輻射的能量B.地球大氣層完全不吸收太陽輻射C.到達地球的太陽輻射能量等于地表和大氣向空間總輻射的能量D.地球表面溫度由太陽活動決定，與大氣無關8.下列哪項措施有助于減少到達地面的太陽輻射，從而可能緩解全球變暖？A.增加大氣中的二氧化碳濃度B.減少大氣中的水汽含量C.提高地球反照率（如增加冰雪覆蓋）D.減少大氣中的臭氧含量9.大氣散射會導致天文觀測中出現(xiàn)的哪種現(xiàn)象？A.天體視亮度增加B.天體視位置發(fā)生微小偏差C.天體視寧度下降（圖像模糊）D.紫外線波段觀測數(shù)據(jù)增強10.能夠使所有波長輻射都發(fā)生強烈散射的粒子是？A.大氣中的氣體分子B.平流層中的臭氧分子C.大氣中的塵埃和水滴D.地表土壤顆粒二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.大氣對太陽輻射的作用主要包括________、________和________三種主要過程。2.瑞利散射的特點是散射強度與波長的四次方成________比例，因此天空呈現(xiàn)________色。3.臭氧層主要吸收太陽輻射中的________線，保護地球生物免受其危害。4.大氣窗口是指大氣對太陽輻射中某些特定波段的________率較高的區(qū)域。5.地球能量平衡的輻射收支端點位于________，其能量主要由地球自身的________輻射和大氣逆輻射組成。6.溫室效應是指大氣中的某些氣體（________）能吸收地表發(fā)射的長波輻射，并將其重新輻射回地表的現(xiàn)象。7.地球大氣層使得從地面觀測天體的視位置，通常比其實際位置________（偏南或偏北）。8.大氣中的水汽、二氧化碳等成分吸收太陽短波輻射的能力很弱，但吸收地表發(fā)射的長波輻射能力較強，這體現(xiàn)了大氣對輻射的________選擇性。9.云層覆蓋對地球的能量平衡有重要影響，其主要作用是增加大氣的________，從而削弱到達地表的太陽輻射。10.為了減少大氣散射對天文觀測的影響，許多大型望遠鏡被建在海拔較高、空氣________的地方。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述溫室效應的形成機制及其對地球氣候的意義。2.解釋為什么日落時分的太陽顏色通常比正午時分的太陽顏色更深、更紅？3.比較大氣中的瑞利散射和米氏散射在散射強度和散射光譜特性上的主要區(qū)別。四、計算題（共15分）假設某時刻太陽輻射總功率為1361W/m2（太陽常數(shù)），地球半徑為6371km，地球到太陽的平均距離為1.496×10?km。忽略地球自轉和公轉的軌道偏心率的長期影響，并假設地球是一個完美的球體，其平均反照率為0.3。試計算：（1）到達地球大氣層頂部的太陽輻射功率是多少W/m2？（2）假設大氣層對太陽輻射的透過率為0.7（即吸收和散射損失30%），則到達地表的太陽輻射功率（不考慮散射）是多少W/m2？（3）根據(jù)能量平衡原理，計算地表平均溫度（假設地表完全吸收剩余的太陽輻射并進行等幅輻射，即忽略大氣逆輻射的精確計算，僅作估算）。提示：地球表面等幅輻射功率與其絕對溫度的四次方（T?）成正比。五、論述題（10分）結合大氣對太陽輻射的作用機制（吸收、散射、反射）和地球能量平衡原理，論述人類活動導致的大氣成分變化（特別是溫室氣體濃度增加）是如何影響地球氣候系統(tǒng)的，并分析這對天文觀測可能產(chǎn)生哪些潛在影響。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.C6.C7.C8.C9.C10.C二、填空題1.吸收，散射，反射2.反比，藍3.紫外4.透過5.空間（外層空間），地熱輻射6.溫室氣體7.偏南8.波長9.反照率10.干潔三、簡答題1.答：溫室效應是指大氣中的某些氣體（如CO?、H?O、O?等溫室氣體）能夠吸收來自地表的長波輻射（紅外線），并將其部分能量重新輻射回地表，使地表溫度升高的現(xiàn)象。形成機制是：太陽短波輻射大部分穿透大氣到達地表，地表受熱后向外輻射長波紅外輻射，部分長波輻射被大氣中的溫室氣體吸收，然后向各個方向（包括向下向地表）重新輻射能量。這就像溫室的玻璃罩一樣，允許陽光進入，但阻止熱量散失，從而使地表溫度高于無大氣層時的溫度。對地球氣候的意義在于維持了地球表面的適宜溫度，使其適合生命生存。2.答：因為太陽輻射穿過的大氣路徑在日落時比正午時更長。大氣中的分子（瑞利散射）對短波輻射（藍紫光）散射效率更高，且散射強度與波長的四次方成反比。日落時，太陽光線接近地平線，穿過大氣層路徑最長，短波輻射被大量散射掉，到達地面的較少，剩下的大部分是長波輻射（紅橙光），故顏色偏紅。正午時，太陽光線接近垂直照射，穿過大氣路徑最短，散射效應較弱，各種波長的光都能到達地面，呈現(xiàn)白色或淡黃色。3.答：瑞利散射主要發(fā)生在尺寸遠小于波長的微粒（如氣體分子）上，其散射強度與波長的四次方成反比（I∝1/λ?），因此對短波（藍紫光）散射強烈，且散射方向主要集中在前后向。米氏散射發(fā)生在尺寸與波長相當?shù)牧Ｗ樱ㄈ鐗m埃、水滴）上，其散射強度與波長關系不大（相對較弱），對所有波長的散射強度差異較小，且散射方向更接近各向同性（向四周均勻散射）。四、計算題（1）解：使用球面面積公式A=4πR2計算地球接收太陽輻射的表面積。A=4π(6371km)2≈5.1×1011m2=5.1×101?m2到達大氣層頂部的太陽輻射功率（單位面積）P_top=太陽常數(shù)=1361W/m2總功率P_total=P_top×AP_total=1361W/m2×5.1×101?m2≈7.0×102?W（2）解：大氣透過率τ=0.7到達地表的太陽輻射功率（不考慮散射）P_surface=P_top×τP_surface=1361W/m2×0.7≈953W/m2（3）解：設地表溫度為T(K)。根據(jù)能量平衡，輸入功率等于輸出功率。輸入功率≈到達地表的太陽輻射功率×(1-反照率)≈953W/m2×(1-0.3)=667.1W/m2輸出功率與T?成正比。設單位面積輸出功率為σT?(σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，σ≈5.67×10??W/m2/K?)。因此，σT?≈667.1W/m2T?≈667.1/5.67×10??≈1.18×101?T≈(1.18×101?)^(1/4)≈234K（此為簡化估算結果，實際地表平均溫度約為288K，差異主要在于忽略了大氣逆輻射的精確貢獻和地表非理想輻射特性等）五、論述題答：人類活動（如燃燒化石燃料、砍伐森林等）導致大氣中二氧化碳、甲烷等溫室氣體濃度顯著增加。這些溫室氣體對太陽短波輻射吸收很少，但對地表發(fā)出的長波紅外輻射具有很強的吸收能力。吸收后，它們將部分能量向各個方向重新輻射，其中一部分能量返回地表，導致地表系統(tǒng)吸收的凈能量增加，即地球能量