2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——歐洲、土星環(huán)顆粒尺寸測定考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述木衛(wèi)二表面羽流活動的地質意義，并說明冰粒尺寸分布特征如何反映其噴發(fā)源區(qū)或運輸過程。2.比較伽利略號和卡西尼號探測器在獲取木衛(wèi)二和土星環(huán)顆粒尺寸信息方面所采用的主要探測手段及其基本原理。二、1.闡述土星環(huán)A環(huán)的環(huán)縫（如Encke縫）形成的動力學機制，并解釋環(huán)粒子尺寸在環(huán)縫附近可能存在的差異及其原因。2.分析影響土星環(huán)光學性質（如環(huán)的亮度、渾濁度）的關鍵因素，并說明環(huán)粒子的大小、形狀和空間分布如何影響這些性質。三、1.假設某探測器對木衛(wèi)二一處新觀測到的羽流進行光譜探測，發(fā)現(xiàn)其反射率在特定波長范圍內具有異常特征。結合已知木衛(wèi)二表面物質組成和顆粒尺寸信息，探討可能的原因，并說明光譜數據如何間接推斷羽流顆粒的物理特性。2.結合土星環(huán)的密度波理論，討論環(huán)粒子尺寸分布不均勻性如何影響環(huán)內密度波的幅度和頻率，并解釋這為何是卡西尼號探測土星環(huán)粒子性質的重要線索。四、1.探討為何測定土星環(huán)粒子確切的大小分布對于理解環(huán)的起源和演化至關重要。列舉至少兩種測定環(huán)粒子尺寸分布的方法，并簡評其優(yōu)缺點。2.假設通過雷達測距數據得知某區(qū)域土星環(huán)粒子密集，且測得該區(qū)域環(huán)的光學厚度較大。結合環(huán)粒子的物理特性和光學理論，分析這可能意味著該區(qū)域環(huán)粒子的尺寸分布存在何種特點。試卷答案一、1.答案：木衛(wèi)二羽流攜帶冰粒到達空間，其尺寸分布可以反映噴發(fā)源區(qū)（如冰火山內部）的物理條件（如壓力、溫度）和物質成分，以及冰粒在太空中受太陽輻射、微流星體撞擊、靜電拾起等過程的改造和演化信息。例如，較小的冰?？赡芨菀妆惶栵L和靜電作用拾起并輸運到更遠距離，而較大較重的冰粒則主要局限于近源區(qū)，這有助于推斷羽流的初始噴發(fā)強度和高度。解析思路：考察對木衛(wèi)二羽流物質組成和尺寸分布與其形成、演化過程的關聯(lián)理解。需結合木衛(wèi)二地質活動特點（冰火山為主）和空間環(huán)境的物理作用（輻射、靜電、微流星體）來分析顆粒尺寸分布所攜帶的信息。2.答案：伽利略號主要利用探測器飛越時的近距成像、磁力計測量以及固態(tài)輻射計獲取光譜數據，通過分析冰粒對探測器的影響（如遮擋、電荷信號、光譜反射/散射特性）來推斷木衛(wèi)二空間環(huán)境的冰粒尺寸、密度和成分。卡西尼號則利用其雷達深度測距（測量雷達信號往返時間變化）探測環(huán)粒子分布和速度，通過光學成像獲取環(huán)粒子的圖像信息，利用光譜儀分析環(huán)粒子的光譜反射特性，并結合環(huán)動力學模型來綜合反演環(huán)粒子的尺寸、形狀、密度、顏色和空間分布。解析思路：考察對兩大探測器在不同天體上測量顆粒尺寸所使用技術的掌握。需區(qū)分伽利略號側重于近距離直接探測其在空間中冰粒環(huán)境的特性，而卡西尼號則利用多種遙感手段結合動力學信息來反演環(huán)盤內粒子的特性。二、1.答案：土星環(huán)A環(huán)的環(huán)縫主要是由外部擾動引起的。當主環(huán)粒子（如A環(huán)）與內環(huán)（如B環(huán)）或環(huán)縫兩側的環(huán)粒子發(fā)生軌道共振時，共振引力會導致環(huán)粒子被逐漸清除出共振區(qū)域，形成環(huán)縫。例如，Encke縫是由與土衛(wèi)七（Tethys）軌道發(fā)生3:2共振的粒子被清除形成的。環(huán)縫附近的粒子尺寸可能存在差異，靠近內環(huán)側的粒子可能因共振擾動而被部分篩分，留下尺寸相對較大的粒子；靠近主環(huán)側則可能被外來的小顆粒污染或填充。解析思路：考察對土星環(huán)動力學，特別是軌道共振導致環(huán)縫形成及其對粒子尺寸影響的理解。需結合共振捕獲機制和環(huán)粒子受擾動的行為來解釋環(huán)縫的形成和附近粒子尺寸的可能變化。2.答案：影響土星環(huán)光學性質的關鍵因素包括環(huán)粒子的數量密度、尺寸分布、形狀、密度、顏色（成分和污染程度）以及環(huán)盤的厚度。環(huán)粒子尺寸直接影響散射效率，小粒子散射更傾向于米氏散射，對可見光吸收少；大粒子更傾向于瑞利散射，對藍光散射更強。尺寸分布不均會導致環(huán)的光學厚度在空間上變化，影響環(huán)的整體亮度和不透明度。粒子的形狀（不規(guī)則碎塊）增加了散射的復雜性和各向異性。密度影響粒子的自引力，進而影響環(huán)的穩(wěn)定性和結構。顏色反映了粒子的表面成分和塵埃污染水平，也影響其光學特性。解析思路：考察對土星環(huán)光學性質與其物理構成要素之間關系的理解。需運用基礎光學（散射理論）和環(huán)動力學知識，解釋粒子的大小、形狀、密度、數量、顏色等如何共同決定環(huán)的宏觀光學表現(xiàn)。三、1.答案：木衛(wèi)二羽流光譜反射率的異常特征可能指示了羽流物質成分的變化或顆粒物理特性的差異。例如，特定波長的吸收特征可能指向不同的鹽類或有機物存在，而反射率的高低和角度依賴性變化則可能與冰粒的大小、形狀、聚集狀態(tài)或粗糙度有關。通過分析光譜數據，可以結合已知冰粒反射特性模型，反推羽流顆粒的等效半徑、形狀因子或聚集程度，間接推斷噴發(fā)源區(qū)的物質組成和冰粒在空間中的物理狀態(tài)變化。解析思路：考察將光譜探測數據與顆粒物理特性聯(lián)系起來的能力。需結合光譜學基本原理（吸收、反射、散射與物質/顆粒性質的關系）和木衛(wèi)二已知環(huán)境（冰基為主），分析光譜異?？赡艿脑?，并說明如何利用光譜信息推斷顆粒物理參數。2.答案：測定土星環(huán)粒子確切的大小分布對于理解環(huán)的起源（是內部碎裂、外部碰撞捕獲還是原生形成）和演化（如環(huán)的擴散、碎裂、聚集成塊）至關重要。因為環(huán)粒子的尺寸決定了其軌道動力學行為（如受自引力、潮汐力、微流星體轟擊的影響）和散射特性?？ㄎ髂崽柼綔y到的密度波是環(huán)粒子在軌道共振區(qū)域受到擾動而形成的波包。環(huán)粒子尺寸分布的不均勻性會改變共振區(qū)的擾動程度和密度波的幅度、頻率及空間形態(tài)，因此精確測定尺寸分布是理解密度波形成機制、反演環(huán)粒子性質、進而研究環(huán)整體演化和動力學狀態(tài)的關鍵。解析思路：考察對環(huán)粒子尺寸分布在環(huán)起源與演化研究中的重要性，以及其與環(huán)動力學（特別是密度波）之間聯(lián)系的理解。需強調尺寸分布如何影響粒子運動和環(huán)的整體行為，以及為何精確測量尺寸分布對于利用密度波數據進行反演至關重要。四、1.答案：測定土星環(huán)粒子確切的大小分布對于理解土星環(huán)的起源至關重要，因為它可以幫助區(qū)分不同的形成機制（如由土星衛(wèi)星碎裂、由外部彗星或小行星撞擊土星盤形成、由氣體凝結形成等）。對于環(huán)的演化研究，粒子尺寸分布是評估環(huán)的擴散、碎裂、聚集成塊等過程的直接依據。例如，年輕環(huán)可能具有窄的尺寸分布，而老環(huán)則可能因為長期演化而變得寬泛。測定方法主要有：①光學成像直接估算視大小；②雷達測距通過分析波束調制效應反演尺寸分布；③反演光譜數據得到有效半徑分布。光學成像給出視大小，需結合距離和環(huán)厚度估算實際大?。焕走_測距相對直接，但易受粒子形狀和密集效應影響；光譜反演則依賴于可靠的模型。光學方法易受分辨率限制，雷達對密集環(huán)敏感，光譜方法需精確模型。解析思路：考察對環(huán)粒子尺寸分布測量意義和常用方法的理解。需闡述尺寸分布如何為環(huán)的起源和演化提供關鍵信息，并列出幾種主要測量技術，并簡要評價其原理和局限性。2.答案：環(huán)的光學厚度與單位體積內的粒子數量（即面密度與環(huán)厚度的乘積）以及粒子的有效散射截面（與尺寸分布相關）成正比。在雷達測距數據指示粒子密集的區(qū)域，若同時測得該區(qū)域環(huán)的光學厚度較大，這表明單位體積內的粒子數量多。結合粒子散射理論，粒子尺寸對散射截面影響顯著：小粒子（微米級）散射截面相對較小，大粒子（米級）散射截面顯著增大。因此，較大的光學厚度除了可能意味著粒子密度高外，也強烈暗示該區(qū)域存在較多的