2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——太陽系外行星大氣成分演化考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填涂在答題卡相應(yīng)位置。）1.下列哪種系外行星大氣探測(cè)方法主要依賴于測(cè)量行星通過恒星盤面時(shí)其光譜特征發(fā)生的微小變化？A.反沖法B.直接成像法C.天體測(cè)量法D.凌日法2.已知系外行星大氣中探測(cè)到顯著的二氧化碳吸收特征，并且該行星位于其母恒星的宜居帶內(nèi)，以下哪項(xiàng)解釋最為合理？A.該行星表面溫度過高，導(dǎo)致二氧化碳主要以氣體形式存在。B.該行星擁有強(qiáng)大的全球性溫室效應(yīng)，二氧化碳是主要的溫室氣體。C.該行星大氣富含二氧化碳，但表面溫度可能并不適宜生命存在。D.恒星輻射強(qiáng)烈，導(dǎo)致大氣中的二氧化碳大量逃逸。3.與類地行星相比，熱木星大氣中通常含有更高濃度的哪種成分，這主要?dú)w因于其與母恒星的近距離相互作用？A.水蒸氣(H?O)B.甲烷(CH?)C.氨(NH?)D.氫(H?)和氦(He)4.系外行星大氣的直接成像法面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.無法獲取大氣光譜信息。B.恒星光芒過于強(qiáng)烈，淹沒行星及其大氣信號(hào)。C.只能探測(cè)到處于特定公轉(zhuǎn)軌道上的行星。D.該方法對(duì)行星大小的測(cè)量精度較低。5.行星大氣的光化學(xué)演化過程中，恒星紫外輻射起著關(guān)鍵作用，它能夠?qū)⒛姆N簡單分子分解，進(jìn)而引發(fā)更復(fù)雜有機(jī)分子的合成？A.氮?dú)?N?)B.氧氣(O?)C.甲烷(CH?)D.氫氣(H?)6.造成金星和地球大氣演化路徑截然不同的關(guān)鍵因素之一是？A.兩者接收到的太陽輻射量不同。B.金星缺乏板塊構(gòu)造活動(dòng)，而地球有活躍的板塊構(gòu)造和火山活動(dòng)。C.金星比地球更靠近太陽。D.地球擁有強(qiáng)磁場(chǎng)保護(hù)，而金星磁場(chǎng)較弱。7.當(dāng)系外行星穿越其恒星的“日食線”時(shí)，如果其大氣呈現(xiàn)藍(lán)綠色，這暗示了其大氣中可能富含哪種物質(zhì)？A.氧氣(O?)B.氮?dú)?N?)C.一氧化碳(CO)D.氧化亞鐵氣體(FeO)8.大氣逃逸是指行星大氣頂部的原子或分子克服行星引力束縛飛入空間的過程。對(duì)于類地行星而言，哪種物理機(jī)制在大氣逃逸中起著主導(dǎo)作用，尤其是在太陽紫外線的照射下？A.潮汐加熱B.磁層偏轉(zhuǎn)C.化學(xué)反應(yīng)D.光致電離9.在評(píng)估系外行星的宜居性時(shí)，除了考慮行星接收到的恒星級(jí)數(shù)外，其大氣的成分和結(jié)構(gòu)也是一個(gè)關(guān)鍵因素。以下哪項(xiàng)大氣特征對(duì)于維持液態(tài)水的穩(wěn)定存在至關(guān)重要？A.高濃度的二氧化碳B.存在致密的云層C.具有足夠的氮?dú)夂脱鯕庖援a(chǎn)生大氣壓D.氫和氦等輕元素構(gòu)成的濃厚大氣10.探測(cè)系外行星大氣中的痕量氣體（如甲烷或二氧化硫）通常比探測(cè)主要成分（如水蒸氣或二氧化碳）更具挑戰(zhàn)性。主要原因在于？A.痕量氣體在大氣中的豐度極低。B.痕量氣體的吸收特征線通常很弱。C.恒星自身光譜中的噪聲較大。D.這些氣體很容易通過大氣化學(xué)過程被消耗掉。二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在橫線上。）1.利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)系外行星凌日時(shí)其宿主恒星亮度下降的幅度，可以反推出行星_____的大小，而通過分析亮度下降曲線的形狀，則可以探測(cè)行星_____的直徑信息。2.對(duì)于類地行星，其大氣成分的演化深受_____（內(nèi)部過程）和_____（外部過程）的共同影響。3.恒星風(fēng)對(duì)系外行星大氣的演化具有顯著影響，尤其是在缺乏_____保護(hù)的行星上，恒星風(fēng)可以導(dǎo)致大氣成分的_____（如輕元素?fù)p失）和總質(zhì)量的減少。4.反沖法（或稱相位法）探測(cè)系外行星大氣主要依賴于比較行星在_____（朝向恒星）和_____（遠(yuǎn)離恒星）時(shí)的光譜差異，從而區(qū)分出大氣反射/透射信號(hào)和行星自身發(fā)射信號(hào)。5.天文學(xué)家推測(cè)，某些系外行星大氣中可能存在的_____（特定氣體）吸收特征，或許可以作為判斷該行星是否存在生命活動(dòng)的潛在生物標(biāo)記（Biosignature）。三、簡答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡潔明了地回答下列問題。）1.簡述凌日法探測(cè)系外行星大氣的主要原理及其能夠獲取的關(guān)鍵信息。2.系外行星的“熱木星”現(xiàn)象對(duì)其大氣成分和結(jié)構(gòu)有何主要影響？3.解釋什么是“大氣宜居帶”？除了恒星級(jí)數(shù)，大氣本身對(duì)宜居帶有何意義？4.簡要說明系外行星大氣逃逸的主要機(jī)制及其影響因素。四、論述題（每題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，全面、深入地回答下列問題。）1.比較并分析當(dāng)前探測(cè)系外行星大氣的幾種主要方法（如凌日法、反沖法、直接成像法）的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。2.探討影響系外行星大氣形成和演化的主要因素有哪些？這些因素之間是如何相互作用，共同塑造了不同行星大氣演化的多樣性？3.結(jié)合具體實(shí)例（可選），論述當(dāng)前系外行星大氣研究面臨的主要挑戰(zhàn)，并展望未來可能的技術(shù)突破或研究方向。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.D4.B5.C6.B7.D8.D9.C10.A二、填空題1.半徑，橫截面2.內(nèi)部活動(dòng)，外部輻射/恒星風(fēng)3.磁場(chǎng)，損失4.凌日相位前，凌日相位后5.氧氣（O?）三、簡答題1.凌日法利用行星通過其宿主恒星盤面時(shí)，星光穿過行星大氣層產(chǎn)生的吸收光譜。通過分析吸收譜線的特征（如深度、寬度、位置），可以反推出行星大氣的成分、溫度結(jié)構(gòu)、密度等信息。關(guān)鍵信息包括大氣主要成分、存在與否的痕量氣體、大氣溫度、可能的云層結(jié)構(gòu)等。2.熱木星因其極靠近母恒星，接收到的恒定紫外和X射線輻射很強(qiáng)。強(qiáng)大的輻射壓和恒星風(fēng)剝蝕其大氣，導(dǎo)致大氣中輕元素（如氫、氦）損失嚴(yán)重，大氣層被推高、膨脹。同時(shí)，行星快速自轉(zhuǎn)可能混合大氣，使得大氣成分相對(duì)均勻。這些因素導(dǎo)致熱木星大氣通常比類地行星大氣更稀薄、更廣泛，且主要成分可能接近形成時(shí)的原始成分（氫氦主導(dǎo)），而非像地球那樣富含水蒸氣、二氧化碳等。3.大氣宜居帶通常指行星圍繞其恒星運(yùn)行，可能存在液態(tài)水穩(wěn)定存在的區(qū)域。大氣本身對(duì)宜居帶的意義重大：它通過溫室效應(yīng)調(diào)節(jié)表面溫度，防止熱量過快散失（如金星）；通過大氣環(huán)流和海洋調(diào)節(jié)全球溫度分布；通過吸收有害的恒星輻射（如紫外線）保護(hù)表面；通過水循環(huán)等維持氣候穩(wěn)定。沒有適宜的大氣，行星即使位于理論宜居帶，也未必能長期維持液態(tài)水。4.大氣逃逸是指大氣頂部的粒子獲得足夠動(dòng)能克服行星引力逃逸到太空的過程。主要機(jī)制包括：粒子在恒星紫外輻射或X射線作用下被電離，隨后在磁場(chǎng)作用下被加速（磁噴流）；高速帶電粒子（如恒星風(fēng)粒子）與大氣粒子碰撞，傳遞能量；對(duì)于快速自轉(zhuǎn)的行星，離心力可能抬升大氣頂層，降低其逃逸閾值。影響因素包括：行星質(zhì)量（引力束縛能力）、行星半徑（大氣尺度高度）、行星磁場(chǎng)強(qiáng)度和形態(tài)、恒星活動(dòng)性（提供逃逸能量和粒子）、大氣成分（輕元素如氫、氦更容易逃逸）。四、論述題1.凌日法：原理是觀測(cè)行星凌日時(shí)穿透其大氣的星光光譜變化。優(yōu)點(diǎn)是能直接獲取大氣光譜信息，技術(shù)相對(duì)成熟。缺點(diǎn)是只能對(duì)處于特定幾何位置的行星進(jìn)行觀測(cè)，且只能獲得行星“切片”的信息，對(duì)大氣整體結(jié)構(gòu)了解有限，且易受系外行星自轉(zhuǎn)和大氣湍流影響。適用于對(duì)較近、較大的系外行星大氣進(jìn)行成分探測(cè)。反沖法（相位法）：原理是比較行星在其軌道上不同相位（面向恒星vs.遠(yuǎn)離恒星）時(shí)的反射光光譜。面向恒星時(shí)，大氣受熱發(fā)光；遠(yuǎn)離恒星時(shí)，主要反射恒星光，大氣自身發(fā)射被抑制。通過比較可分離大氣信號(hào)和行星表面反射信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)獲得大氣成分和溫度結(jié)構(gòu)信息。缺點(diǎn)是要求行星有足夠大的半徑和復(fù)雜的表面/大氣結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生顯著的光譜相位變化，且對(duì)觀測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理要求高。適用于探測(cè)半徑較大的氣態(tài)巨行星大氣。直接成像法：原理是直接拍攝并光譜分析行星本身的光。優(yōu)點(diǎn)是能觀測(cè)行星整體及其大氣，獲取高空間分辨率圖像。缺點(diǎn)是只有極少數(shù)近距離、大質(zhì)量的系外行星可用此方法，且恒星自身光非常亮，需要極高分辨率的望遠(yuǎn)鏡和復(fù)雜的背景抑制技術(shù)。適用于研究近距離、大質(zhì)量系外行星的大氣和表面特征。綜合來看，凌日法適用于較近、較小的系外行星成分探測(cè)；反沖法適用于較大行星成分和結(jié)構(gòu)探測(cè)；直接成像法目前適用范圍最窄，但能提供最全面的整體信息。2.影響系外行星大氣形成和演化的主要因素包括：母恒星性質(zhì)（光譜類型、質(zhì)量、年齡、活動(dòng)性、金屬豐度等）——決定了行星形成環(huán)境的物理化學(xué)條件；行星形成過程中的軌道位置（決定行星接收的通量、物質(zhì)來源）；行星自身質(zhì)量、半徑和初始組成（影響引力束縛能力和大氣捕獲效率）；行星內(nèi)部活動(dòng)（如放射性元素衰變加熱、板塊構(gòu)造、火山活動(dòng)）——提供大氣物質(zhì)來源和能量輸入，影響大氣成分和演化速率；行星與恒星的長期相互作用（如潮汐力導(dǎo)致的質(zhì)量交換、軌道遷移、恒星風(fēng)/紫外輻射的剝離和加熱）——是驅(qū)動(dòng)大氣演化，特別是熱木星形成和大氣損失的關(guān)鍵因素；大氣自身的物理化學(xué)過程（如光化學(xué)反應(yīng)、云層形成、輻射傳輸、湍流混合）——決定了大氣成分的分布和穩(wěn)定性。這些因素相互交織，共同作用，塑造了從類地行星到氣態(tài)巨行星，再到熱木星等多樣化的系外行星大氣系統(tǒng)。3.當(dāng)前系外行星大氣研究面臨的主要挑戰(zhàn)包括：信噪比低——恒星光強(qiáng)于行星光，大氣信號(hào)微弱，易被儀器噪聲和恒星自身譜線淹沒；直接探測(cè)技術(shù)的局限性——目前主要能探測(cè)到距離較近、較大的氣態(tài)巨行星，對(duì)類地行星和距離較遠(yuǎn)的行星大氣探測(cè)能力有限；對(duì)大氣柱豐度的測(cè)量——目前主要測(cè)量的是大氣柱平均豐度，難以了解大氣垂直結(jié)構(gòu)；缺乏對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)的觀測(cè)——難以理解大氣環(huán)流、云層分布等對(duì)氣候和成分的影響；模型的不確定性——大氣模型依賴于許多假設(shè)（如云物理、輻射傳輸參數(shù)），模型預(yù)測(cè)與觀測(cè)結(jié)果仍有差距；生命標(biāo)志的辨識(shí)困難——如何從復(fù)雜的大氣光譜中區(qū)分自然的、非生物的過程和潛在