2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——小行星撞擊事件的時(shí)間尺度分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.以下哪項(xiàng)不是影響近地小行星（NEO）發(fā)現(xiàn)時(shí)間的主要因素？A.小行星的絕對(duì)亮度B.小行星的尺寸C.地球與太陽(yáng)的相對(duì)位置D.天文觀測(cè)設(shè)備的分辨率2.通常情況下，一顆大型小行星（直徑數(shù)百公里）與地球發(fā)生垂直高速撞擊所需的時(shí)間，與一顆小型小行星（直徑幾公里）發(fā)生斜向撞擊形成同等規(guī)模撞擊坑所需的時(shí)間相比：A.前者通常更長(zhǎng)B.后者通常更長(zhǎng)C.兩者基本相同D.取決于具體能量釋放情況，無(wú)法確定3.撞擊事件發(fā)生后，形成的撞擊坑直徑從數(shù)公里擴(kuò)展到最大寬度所需的時(shí)間，主要取決于：A.撞擊能量的大小B.行星表面的重力加速度C.撞擊角D.以上所有因素4.撞擊事件引發(fā)的全球性火球體（EjectaCloud）達(dá)到最高高度并開(kāi)始向外擴(kuò)散的主要時(shí)間尺度通常在：A.微秒到毫秒級(jí)B.秒到分鐘級(jí)C.小時(shí)到天級(jí)D.年到千年級(jí)5.導(dǎo)致大型撞擊事件后行星表面環(huán)境長(zhǎng)期惡化（如大氣塵埃遮蔽、溫度驟降）的主要時(shí)間尺度，通常與下列哪個(gè)過(guò)程相關(guān)？A.撞擊坑的初始形成B.沖擊波在行星內(nèi)部的傳播C.次生撞擊事件（SecondaryImpactHazard）的發(fā)生D.大氣塵埃和氣體在行星引力作用下重新沉降6.在分析不同大小的小行星撞擊時(shí)間尺度時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的簡(jiǎn)化假設(shè)是：A.所有小行星的成分都相同B.撞擊過(guò)程主要遵循點(diǎn)質(zhì)量碰撞模型C.行星表面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是均勻的D.撞擊后行星不會(huì)產(chǎn)生任何反彈7.如果一顆小行星的軌道半長(zhǎng)軸縮短，導(dǎo)致其公轉(zhuǎn)周期顯著減小，那么在相同的時(shí)間內(nèi)它與目標(biāo)行星（如地球）發(fā)生近距離接近的頻率將：A.降低B.升高C.不變D.無(wú)法確定，取決于其軌道偏心率8.對(duì)比地殼和地幔中的地震波傳播速度，通?？梢酝茢啵篈.地幔的地震波速度總是比地殼快B.地殼的地震波速度總是比地?？霤.地幔的地震波速度在撞擊后會(huì)立即降低D.地殼中的地震波速度受撞擊產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響較小二、填空題（請(qǐng)將答案填寫(xiě)在橫線上）1.小行星被發(fā)現(xiàn)后的軌道不確定性隨時(shí)間推移呈指數(shù)衰減，這被稱(chēng)為_(kāi)_______效應(yīng)，它直接影響了對(duì)未來(lái)潛在撞擊事件的預(yù)警時(shí)間。2.撞擊坑的________時(shí)間（即撞擊坑直徑達(dá)到最終尺寸所需的時(shí)間）是衡量撞擊后早期地質(zhì)效應(yīng)的一個(gè)重要時(shí)間尺度，通常與撞擊能量和行星表面性質(zhì)密切相關(guān)。3.當(dāng)一顆小行星撞擊深海時(shí)，其產(chǎn)生的________________（一種由快速壓力變化引起的深海爆炸現(xiàn)象）的初始爆發(fā)時(shí)間尺度可能短至毫秒級(jí)。4.估算一顆特定大小的小行星與地球發(fā)生碰撞的平均時(shí)間間隔，通常需要考慮小行星的數(shù)量分布、軌道類(lèi)型以及與地球軌道的______________________。5.撞擊事件后，如果形成的撞擊坑底部熔融物未能完全冷卻凝固，可能會(huì)導(dǎo)致坑底發(fā)生隆起，這一過(guò)程的時(shí)間尺度通常在______________________范圍內(nèi)。6.地球大氣層對(duì)于減緩小型（如直徑<1公里）小行星撞擊速度的主要作用過(guò)程是________________，這個(gè)過(guò)程的時(shí)間尺度通常在________（時(shí)間單位）量級(jí)。7.月球上密集的撞擊坑記錄表明，在月球形成的早期歷史中，受到大型小行星撞擊的平均時(shí)間尺度大約為每________百萬(wàn)年一次。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述小行星軌道監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)間尺度的含義及其重要性。影響預(yù)警時(shí)間尺度的主要因素有哪些？2.比較小行星垂直撞擊和斜向撞擊在撞擊坑形成初始階段（如沖擊波傳播、空腔形成）的時(shí)間尺度差異。3.撞擊事件發(fā)生后，大氣塵埃層的形成、擴(kuò)散和消散大致經(jīng)歷了哪些階段？每個(gè)階段對(duì)應(yīng)著怎樣的時(shí)間尺度范圍？這些時(shí)間尺度對(duì)撞擊事件的后果有何影響？4.解釋什么是“撞擊階梯”（ImpactGradient），并簡(jiǎn)述其在評(píng)估不同規(guī)模撞擊事件時(shí)間尺度和影響時(shí)的應(yīng)用意義。四、計(jì)算題1.假設(shè)一顆直徑為500米的小行星以20公里/秒的速度與地球斜向撞擊，其撞擊能量大約為E=1.6x10^20焦耳（相當(dāng)于千萬(wàn)顆廣島原子彈）。估算該撞擊事件產(chǎn)生全球性地震（Mw8.0級(jí)）所需的時(shí)間。提示：地震矩M0與地震能量E的關(guān)系近似為E≈10^4M0(erg)，而地震矩M0又與震級(jí)Mw和震源深度（假設(shè)為10公里）有關(guān)，關(guān)系式為log10(M0)=11.8+1.5*Mw。假設(shè)震源深度對(duì)時(shí)間尺度影響不大，可以忽略。2.已知一顆近地小行星的軌道半長(zhǎng)軸為1.5天文單位，偏心率為0.1，其公轉(zhuǎn)周期T0（以年為單位）可以通過(guò)開(kāi)普勒第三定律T0^2∝a^3來(lái)估算（其中a為天文單位）。估算該小行星完成一次公轉(zhuǎn)所需的時(shí)間。如果該小行星軌道近日點(diǎn)距離地球平均距離為0.05天文單位，估算它在平均距離上與地球發(fā)生近距離會(huì)合（即角距離小于角分辨率）的相對(duì)時(shí)間間隔（以年為單位）。假設(shè)地球公轉(zhuǎn)周期為1年。五、論述題1.綜合考慮小行星的發(fā)現(xiàn)概率、軌道演化、撞擊概率以及撞擊后果的嚴(yán)重性，論述為什么在行星科學(xué)研究和行星防御計(jì)劃中，對(duì)大型近地小行星（直徑大于1公里）的時(shí)間尺度分析（如預(yù)警時(shí)間、撞擊周期）比對(duì)小型近地小行星更為關(guān)注？請(qǐng)結(jié)合具體例子說(shuō)明。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.D4.B5.C6.B7.B8.A二、填空題1.費(fèi)馬（Fermi）2.膨脹（RimFormation）/成型（Molding）3.噴氣（Jet）/水柱（Plume）4.相交（Intersection）/重疊（Overlap）5.數(shù)百（Hundreds）/數(shù)千（Thousands）年（或更長(zhǎng)時(shí)間，關(guān)鍵在于“長(zhǎng)期”）6.大氣阻力（AtmosphericDrag）/摩擦（Friction），秒（seconds）7.10-20（或給出一個(gè)合理范圍，如5-50）三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先定義預(yù)警時(shí)間尺度為從發(fā)現(xiàn)小行星到其與地球發(fā)生潛在碰撞前的可用觀測(cè)時(shí)間。其重要性在于為可能的防御措施（如改變軌道）提供窗口期。影響因素主要包括：小行星的絕對(duì)亮度（影響發(fā)現(xiàn)距離/能力）、觀測(cè)設(shè)備的靈敏度與分辨率、小行星軌道的不確定性（受觀測(cè)弧長(zhǎng)和精度的限制，費(fèi)馬效應(yīng)描述其衰減）、小行星的尺寸（影響亮度）和軌道類(lèi)型（有些軌道難以觀測(cè)）。2.解析思路：比較垂直撞擊和斜向撞擊的初始階段時(shí)間尺度，需關(guān)注沖擊波傳播和空腔形成。垂直撞擊能量集中，沖擊波傳播相對(duì)直接，空腔形成時(shí)間可能更快，但后續(xù)影響不同。斜向撞擊沖擊波傳播路徑更復(fù)雜，能量分布更廣，可能產(chǎn)生更復(fù)雜的空腔結(jié)構(gòu)，初始空腔形成時(shí)間可能因能量分散而相對(duì)較長(zhǎng)或更復(fù)雜。關(guān)鍵在于理解能量分布和傳播路徑對(duì)時(shí)間尺度的直接影響。3.解析思路：描述大氣塵埃形成、擴(kuò)散、消散的階段性及其時(shí)間尺度。第一階段：撞擊產(chǎn)生熔融物和玻璃質(zhì)，噴射到高空形成初始?jí)m埃云，時(shí)間尺度與撞擊能量和噴射強(qiáng)度相關(guān)（秒到分鐘）。第二階段：塵埃云在大氣中擴(kuò)散、混合，形成全球性遮蔽層，時(shí)間尺度與大氣混合效率相關(guān)（天到周）。第三階段：塵埃通過(guò)沉降、光化學(xué)過(guò)程或被清除（如雨洗），遮蔽效應(yīng)減弱，時(shí)間尺度取決于塵埃大小、成分和大氣循環(huán)（月到年）。影響后果的時(shí)間尺度主要是遮蔽持續(xù)時(shí)間。4.解析思路：解釋撞擊階梯是描述撞擊事件規(guī)模（通常用撞擊能量或產(chǎn)生撞擊坑直徑）與發(fā)生頻率之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通常表現(xiàn)為規(guī)模越大，發(fā)生頻率越低（近似指數(shù)關(guān)系）。其應(yīng)用意義在于，通過(guò)分析撞擊階梯，結(jié)合時(shí)間尺度，可以估算不同規(guī)模撞擊事件的預(yù)期發(fā)生間隔，從而評(píng)估特定規(guī)模撞擊事件的概率和潛在風(fēng)險(xiǎn)。四、計(jì)算題1.解析思路：計(jì)算地震時(shí)間尺度。首先根據(jù)Mw和E-M0關(guān)系式求M0：log10(E/10^4)=1.5*Mw=>log10(1.6x10^20/10^4)=1.5*Mw=>log10(1.6x10^16)=1.5*Mw=>16.2041=1.5*Mw=>Mw≈10.803。然后求地震矩M0=10^(11.8+1.5*10.803)ergs。接著用M0和震源深度H計(jì)算地震矩率（平均能量釋放率）P=dM0/dt，假設(shè)P持續(xù)時(shí)間t約等于震級(jí)持續(xù)時(shí)間T_c。近似T_c≈10^1.5*t(秒)（經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，震級(jí)每增1，時(shí)間約增10倍）。所以P≈E/T_c。將M0和E代入，求解t。計(jì)算結(jié)果約為t≈10秒。2.解析思路：第一問(wèn)，用開(kāi)普勒第三定律T0^2=1.5^3=3.375(年^2)，得T0=√3.375≈1.837年。第二問(wèn)，計(jì)算會(huì)合時(shí)間間隔。設(shè)地球和小行星在時(shí)間t分別位于近日點(diǎn)。地球繞行角度ω_地=2π*t/1年。小行星繞行角度ω_小行=2π*t/1.837年。它們角距離Δω=|ω_地-ω_小行|=|(2πt/1)-(2πt/1.837)|=2πt*|1/1-1/1.837|=2πt*|0.837/1.837|。要求Δω<角分辨率。角分辨率δ_角≈1角秒=4.848x10^-9弧度。設(shè)會(huì)合間隔為Δt，則2π*Δt*(0.837/1.837)<4.848x10^-9=>Δt<(4.848x10^-9*1.837)/(2π*0.837)≈4.37x10^-9/5.278x10^-9≈0.83年。所以相對(duì)時(shí)間間隔約為0.83年。注意題目給定近日點(diǎn)距離為0.05天文單位是干擾信息，實(shí)際計(jì)算只與小行星公轉(zhuǎn)周期有關(guān)。五、論述題1.解析思路：論述關(guān)注大型近地小行星時(shí)間尺度的原因。首先，大型小行星（>1km）撞擊產(chǎn)生的能量和后果極其嚴(yán)重，可能導(dǎo)致全球性災(zāi)難，如大規(guī)模滅絕、氣候劇變、地殼重熔等，對(duì)行星宜居性和生命演化有決定性影響，其潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高