2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——太陽系內(nèi)行星的天然衛(wèi)星觀測考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述開普勒定律在描述天然衛(wèi)星軌道運(yùn)動中的應(yīng)用，并說明其中涉及的三個主要軌道要素及其物理意義。2.對比地面望遠(yuǎn)鏡觀測太陽系內(nèi)行星衛(wèi)星與空間望遠(yuǎn)鏡觀測的主要優(yōu)勢和劣勢。3.解釋什么是衛(wèi)星的攝動，并舉例說明攝動對衛(wèi)星軌道的影響。二、4.以伽利略衛(wèi)星或土星衛(wèi)星系統(tǒng)為例，簡述其主要成員衛(wèi)星的物理特征（大小、質(zhì)量、表面成分、地質(zhì)活動等）及其差異。5.闡述雷達(dá)探測技術(shù)在研究冰巨行星衛(wèi)星（如海衛(wèi)一、冰衛(wèi)一）中的應(yīng)用原理及其能夠獲取的信息類型。6.說明多譜段光譜觀測對于理解衛(wèi)星表面成分和大氣特征的重要性，并列舉可用的光譜波段及其主要探測目標(biāo)。三、7.描述確定天然衛(wèi)星軌道的方法，并簡述其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和步驟。8.分析木衛(wèi)一劇烈的火山活動可能的原因，并簡述伽利略衛(wèi)星任務(wù)為此提供的證據(jù)。9.舉例說明土衛(wèi)六（泰坦）獨(dú)特的大氣系統(tǒng)（成分、結(jié)構(gòu)、動力學(xué)）及其對行星科學(xué)研究的意義。10.闡述對冰巨行星衛(wèi)星（如冰衛(wèi)一）地下可能存在海洋的探測思路和依據(jù)，包括依賴的觀測手段和尋找的線索。四、11.結(jié)合具體探測任務(wù)（如卡西尼號、朱諾號、新視野號等），簡述其在研究行星衛(wèi)星方面的主要貢獻(xiàn)和發(fā)現(xiàn)。12.討論分析衛(wèi)星磁場數(shù)據(jù)可以揭示哪些關(guān)于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)狀態(tài)的信息。13.指出當(dāng)前太陽系內(nèi)行星衛(wèi)星觀測面臨的主要挑戰(zhàn)（如分辨率限制、觀測窗口、數(shù)據(jù)量處理等），并思考可能的應(yīng)對策略或未來發(fā)展方向。試卷答案一、1.開普勒定律描述了衛(wèi)星圍繞行星的運(yùn)動。第一定律（軌道定律）指衛(wèi)星軌道為橢圓，行星位于焦點之一；第二定律（面積定律）指衛(wèi)星與行星的連線在相等時間內(nèi)掃過相等的面積，表明衛(wèi)星速度在近日點快遠(yuǎn)日點慢；第三定律（周期定律）指衛(wèi)星軌道半長軸的立方與其公轉(zhuǎn)周期的平方成正比（T2∝a3），可用于比較不同衛(wèi)星或行星衛(wèi)星的軌道大小與周期關(guān)系。主要軌道要素包括：半長軸（a），決定軌道大??；偏心率（e），決定軌道的橢圓程度（0為圓，0<e<1為橢圓）；軌道傾角（i），決定軌道平面與行星赤道面的夾角。2.地面望遠(yuǎn)鏡觀測優(yōu)勢在于信噪比較高、成本相對較低、可進(jìn)行長時間累積觀測；劣勢在于受地球大氣擾動影響（分辨率、穩(wěn)定性受限）、觀測窗口受限于白天和大氣條件、對熱輻射探測能力受限?？臻g望遠(yuǎn)鏡優(yōu)勢在于完全擺脫大氣限制、可進(jìn)行高分辨率成像、覆蓋全電磁波段（尤其紫外、紅外）、可實現(xiàn)連續(xù)觀測；劣勢在于成本極高、維護(hù)困難、需要地面支持。3.攝動是指天體在受到主要天體（如行星）之外的其他天體（如其他衛(wèi)星）引力作用，導(dǎo)致其軌道偏離理想開普勒軌道的現(xiàn)象。例如，木星衛(wèi)星之間的引力相互作用導(dǎo)致它們的軌道并非純粹的橢圓，而是存在周期性的微小變化。二、4.以伽利略衛(wèi)星為例：木衛(wèi)一（Io）是活動最劇烈的衛(wèi)星，表面遍布熔巖活動，主要由硫和硅酸鹽構(gòu)成；木衛(wèi)二（Europa）表面冰下可能存在液態(tài)水海洋，冰殼上布滿線狀溝壑；木衛(wèi)三（Ganymede）是太陽系中最大的衛(wèi)星，擁有自己的磁場，表面有古老撞擊坑和年輕火山平原；木衛(wèi)四（Callisto）地質(zhì)活動最弱，表面是古老撞擊坑的混合體，冰殼下可能也有海洋。它們在成分（巖石/冰）、地質(zhì)活動性、大小、是否有潛在海洋等方面存在顯著差異。5.雷達(dá)探測通過發(fā)射電磁波并接收衛(wèi)星反射回來的信號來獲取信息。對于冰衛(wèi)一，雷達(dá)可穿透其冰殼，通過測量回波延遲和強(qiáng)度反演冰殼厚度，通過分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性尋找地下海洋存在的證據(jù)（如重力異常、磁異常），并通過雷達(dá)成像觀察其表面地貌特征（如撞擊坑、裂縫）。6.多譜段光譜觀測通過分析衛(wèi)星在不同波長（如可見光、近紅外、中紅外、微波等）的輻射或反射特性，可以識別表面不同的礦物成分（如水冰、冰凍甲烷、硫化物、硅酸鹽）、大氣成分（如氮?dú)?、甲烷、氨、水蒸氣）及其豐度、溫度、壓力等信息。不同波段對不同的物質(zhì)敏感，綜合分析可繪制出衛(wèi)星表面和大氣詳細(xì)的組成圖譜。三、7.確定天然衛(wèi)星軌道通常采用測軌方法。首先通過望遠(yuǎn)鏡觀測衛(wèi)星相對于行星的角位置，獲取一系列帶有時間戳的觀測數(shù)據(jù)。然后，利用開普勒軌道模型，結(jié)合行星和衛(wèi)星的質(zhì)量（或通過軌道確定質(zhì)量），將觀測到的角位置轉(zhuǎn)換為軌道要素（如半長軸、偏心率、傾角等）。這個過程通常涉及迭代計算，不斷調(diào)整軌道參數(shù)，直到計算出的軌道位置與觀測位置最佳匹配，最終得到精確的軌道確定結(jié)果。8.木衛(wèi)一劇烈的火山活動主要能量來源被認(rèn)為是木星引力的潮汐加熱。由于木星巨大質(zhì)量，其引力在木衛(wèi)一靠近時產(chǎn)生拉扯，導(dǎo)致衛(wèi)星內(nèi)部產(chǎn)生摩擦生熱，使得地幔保持熔融狀態(tài)，持續(xù)驅(qū)動物質(zhì)上涌至表面形成活動火山。伽利略任務(wù)通過成像觀測到大量熔巖流、火山口、高溫羽流，并通過光譜分析確認(rèn)了火山噴發(fā)的物質(zhì)成分（如二氧化硫），這些都為潮汐加熱模型提供了有力證據(jù)。9.土衛(wèi)六（泰坦）大氣系統(tǒng)極其獨(dú)特：它是太陽系中唯一擁有濃密大氣的衛(wèi)星，大氣主要由約95%的氮?dú)夂?%的甲烷組成，大氣壓約為地球海平面大氣壓的1.5倍。大氣層中有復(fù)雜的云層（由甲烷或乙烷凝結(jié)）、持續(xù)的甲烷和乙烷雨、甚至存在類似地球的氣候循環(huán)（盡管驅(qū)動機(jī)制不同）。泰坦表面有液態(tài)甲烷和乙烷構(gòu)成的湖泊、河流、海洋和三角洲，展現(xiàn)出活躍的表面侵蝕和沉積過程。研究泰坦有助于理解早期地球、生命起源的化學(xué)過程以及非水環(huán)境下的氣候演變。10.探測冰衛(wèi)一地下海洋的思路主要基于多種觀測數(shù)據(jù)的綜合分析：①雷達(dá)探測：利用卡西尼號雷達(dá)探測顯示冰殼下存在液態(tài)水海洋的證據(jù)，如冰殼厚度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、表面水冰分布等。②重力探測：伽利略號和卡西尼號的重力測量結(jié)果顯示冰衛(wèi)一質(zhì)量遠(yuǎn)超其體積估算值，表明其內(nèi)部存在密度較大的液態(tài)水海洋。③磁場探測：伽利略號發(fā)現(xiàn)冰衛(wèi)一具有全球性磁場，暗示其內(nèi)部存在液態(tài)鐵硫合金核心，這是維持磁場的必要條件。這些線索共同指向冰衛(wèi)一內(nèi)部存在一個被冰殼覆蓋的液態(tài)水海洋。四、11.卡西尼號對土星系統(tǒng)的貢獻(xiàn)巨大，特別是對土衛(wèi)六（泰坦）和土衛(wèi)二（恩克拉多斯）的研究，發(fā)現(xiàn)了泰坦復(fù)雜大氣和液態(tài)甲烷湖泊系統(tǒng)，以及恩克拉多斯劇烈的冰火山活動及其可能存在的地下海洋。朱諾號主要目標(biāo)是研究木星本身，但其磁場測量數(shù)據(jù)有助于理解木星衛(wèi)星系統(tǒng)（包括伽利略衛(wèi)星）與木星磁場的相互作用。新視野號對冥王星的飛越極大增進(jìn)了我們對太陽系外圍天體（包括其衛(wèi)星）的大小、質(zhì)量、表面組成（如氮冰、甲烷冰、一氧化碳冰）和地質(zhì)演化的認(rèn)識。12.分析衛(wèi)星磁場數(shù)據(jù)可以揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。例如，存在全球性磁場的衛(wèi)星（如木衛(wèi)三、地球）通常表明其內(nèi)部存在液態(tài)導(dǎo)電流體（如液態(tài)鐵硫合金或地核），并通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生磁場。磁場的強(qiáng)度、形態(tài)和變化可以提供關(guān)于核心大小、成分、溫度、對流狀態(tài)以及殼層與核心的耦合信息。對于沒有全球磁場的衛(wèi)星（如月球、水星），其磁場缺失或殘余磁場可以幫助推斷其內(nèi)部是否已經(jīng)失磁、核心是否冷卻凝固。13.當(dāng)前觀測面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①分辨率限制：對于距離遙遠(yuǎn)或本身尺寸較小的衛(wèi)星，即使使用最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡或探測器，分辨率也難以達(dá)到揭示表面精細(xì)結(jié)構(gòu)或地質(zhì)單元的程度。②觀測窗口和持續(xù)時間：許多衛(wèi)星軌道凌日或相位角度不佳時，難以獲得理想的光學(xué)或雷達(dá)觀測條件，連續(xù)長期觀測也受任務(wù)壽命限制。③數(shù)據(jù)處理與分析：