2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——行星天體觀測與數(shù)據(jù)解讀考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.在進行行星光學觀測時，大望遠鏡相比小望遠鏡的主要優(yōu)勢在于？A.能探測到更暗的物體B.能同時觀測更大范圍的skyC.分辨率總是更高D.對大氣抖動不敏感2.以下哪種觀測方式最適合探測和研究系外行星的行星狀塵埃盤？A.紫外線光譜觀測B.紅外熱成像觀測C.射電連續(xù)譜觀測D.X射線成像觀測3.行星光譜中出現(xiàn)的吸收線，其主要成因是？A.行星大氣散射太陽光B.行星表面反射太陽光C.行星自身發(fā)射電磁輻射D.行星大氣或表面物質(zhì)吸收特定波長的輻射4.當我們說某個行星圖像的比例尺為1arcsec/pixel時，意味著？A.圖像每像素代表1角秒的距離B.圖像每像素覆蓋1角秒的面積C.從行星看過來，1角秒的視角對應地面1像素的大小D.該圖像的分辨率達到了角秒級別5.利用雷達測高技術繪制行星（如木星）形狀時，主要解決的問題是？A.測量行星大氣成分B.繪制行星表面溫度分布圖C.精確測量行星到衛(wèi)星的距離D.獲取行星全球范圍內(nèi)高精度的形狀和重力場數(shù)據(jù)6.在分析行星光變曲線時，發(fā)現(xiàn)周期性變化的信號，這通常暗示該行星可能具有？A.恒星活動造成的噪聲B.不規(guī)則的自轉(zhuǎn)C.環(huán)繞其運行的衛(wèi)星或行星D.大氣層存在溫室效應7.對行星光譜進行大氣校正的主要目的是？A.去除光譜中由儀器產(chǎn)生的噪聲B.消除光譜中來自行星大氣層的散射光影響C.將光譜亮度統(tǒng)一到標準單位D.突出顯示行星表面的幾何結(jié)構特征8.行星表面顏色與其礦物組成和地表狀態(tài)密切相關，以下哪種地表物質(zhì)通常呈現(xiàn)深紅色？A.水冰B.巖石中的鐵鎂礦物氧化產(chǎn)物C.干燥的二氧化碳雪D.甲烷冰9.當需要探測行星內(nèi)部結(jié)構時，除了重力測量，還可以利用？A.行星磁場數(shù)據(jù)B.行星光譜中的吸收線C.行星表面熱紅外輻射D.行星云層的光學厚度10.設計一個對冥王星的探測任務時，軌道設計需要特別考慮的主要因素是？A.如何保持高分辨率光學成像B.如何應對極端的宇宙射線環(huán)境C.如何利用冥王星的稀薄大氣進行大氣進入D.如何在短任務壽命內(nèi)完成足夠多的科學觀測二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.利用天文望遠鏡進行觀測時，為了提高觀測目標的信噪比，常采用______或______等技術。2.行星光譜中的“紅移”現(xiàn)象通常表明該天體正在遠離我們，其光譜線的波長相對于實驗室參考值向______端移動。3.在處理行星圖像數(shù)據(jù)時，為了消除大氣擾動造成的影響，常使用______技術來增強圖像的清晰度。4.通過分析行星的光譜反射率曲線，可以推斷行星表面的______和______信息。5.對于自轉(zhuǎn)速度較快的行星，其測得的視直徑會比靜止時測得的真直徑顯得______。6.利用______數(shù)據(jù)可以反演出行星的形狀、質(zhì)量分布和自轉(zhuǎn)狀態(tài)。7.在進行系外行星觀測時，______望遠鏡因其對視寧度要求低而具有優(yōu)勢。8.行星大氣垂直結(jié)構的信息主要蘊含在其光譜的______（填“吸收線”或“發(fā)射線”）中。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述地面望遠鏡觀測行星相比空間望遠鏡的主要優(yōu)勢和劣勢。2.簡述在進行行星光譜數(shù)據(jù)分析時，識別未知物質(zhì)的基本思路。3.簡述什么是行星的“視直徑”？它與行星的實際大小和距離有何關系？4.簡述設計一個針對特定行星衛(wèi)星（如冰衛(wèi)星）的遙感觀測任務時，需要重點考慮的觀測目標及其相應的觀測數(shù)據(jù)類型。四、計算題（每題10分，共20分。請列出必要的公式和計算步驟）1.假設一顆系外行星的軌道半長軸為1.5AU，公轉(zhuǎn)周期為4年。請利用開普勒第三定律（T2∝a3）估算該行星系統(tǒng)的中心恒星的質(zhì)量（以太陽質(zhì)量為單位）。已知地球公轉(zhuǎn)周期為1年，軌道半長軸為1AU。2.某行星探測器傳回一張圖像，顯示某區(qū)域平均每個像素包含100個photons。已知該像素對應的地面實際面積為1km2。如果探測器探測器的光譜響應是均勻的，且該像素接收到的總輻射功率中50%來自行星大氣散射，50%來自行星表面反射。請估算該像素對應的行星表面在可見光波段的平均反射率（BondAlbedo），并簡單說明你的計算假設。五、綜合分析題（20分。請結(jié)合所學知識，對下列問題進行深入分析和闡述）假設你是一名行星科學家，需要設計一個任務來探測和研究某顆類地行星（非地球）的大氣層。請闡述你將如何選擇觀測目標（具體說明選擇哪顆行星或提供選擇依據(jù)）、確定觀測指標（需要獲取哪些類型的數(shù)據(jù)，如光譜、雷達、成像等）、選擇合適的觀測儀器和平臺（空間望遠鏡、探測器等），并簡述你將如何利用獲取的數(shù)據(jù)來分析該行星大氣的成分、溫度結(jié)構、云層特征以及可能的動力學現(xiàn)象。在分析過程中，請考慮可能遇到的挑戰(zhàn)以及相應的應對策略。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.D4.A5.D6.C7.B8.B9.A10.B二、填空題1.減光；序列曝光2.紅3.象差校正（或自適應光學）4.物理組成；表面狀態(tài)5.小6.重力7.紅外8.吸收線三、簡答題1.優(yōu)勢：成本相對較低，可連續(xù)觀測，技術成熟。劣勢：受大氣抖動、吸收和散射影響，水汽等大氣成分會污染光譜，觀測窗口受限于大氣透明度?？臻g望遠鏡優(yōu)勢：無大氣干擾，觀測質(zhì)量高，可覆蓋更多波段。劣勢：成本極高，發(fā)射和維護困難，無法連續(xù)對同一目標進行長期自動觀測。2.思路：首先進行光譜的定標和大氣校正，識別并去除已知氣體（如水汽、二氧化碳）造成的吸收線。然后分析剩余的吸收線特征（位置、強度、形狀），與數(shù)據(jù)庫中的標準分子或原子光譜進行比對，尋找匹配項。注意區(qū)分同源異構體、離子態(tài)等。對于未知吸收，可結(jié)合該天體的物理條件（溫度、壓力）和化學環(huán)境進行推斷。3.視直徑是指從觀測者（地球）看過去，行星所張開的角距離。它與行星的實際物理直徑（真實大?。┖退c觀測者的距離有關。在幾何上，視直徑d與實際直徑D和距離R滿足d=arctan(D/2R)。當行星靠近我們時（R減?。?，其視直徑會增大；當行星遠離我們時（R增大），其視直徑會減小。因此，視直徑是行星真實大小和距離的函數(shù)。4.觀測目標：*大氣成分：光譜數(shù)據(jù)（高分辨率紅外、紫外光譜），用于識別大氣中的吸收線和發(fā)射線，推斷氣體種類（如水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氨氣、氮氣、氧氣等）及其豐度。*溫度結(jié)構：紅外輻射數(shù)據(jù)（測溫和光譜），用于分析大氣各層的溫度分布，識別云層頂部的溫度。*云層特征：高分辨率成像數(shù)據(jù)（可見光、紅外），用于觀測云層的位置、高度、厚度、運動特征和形態(tài)。*動力學現(xiàn)象：雷達探測數(shù)據(jù)（如果可行），用于探測大氣中的風場、風暴系統(tǒng)；多光譜/高光譜成像數(shù)據(jù)，用于分析大氣卷云、氣旋等動態(tài)特征。觀測數(shù)據(jù)類型：高光譜/光譜數(shù)據(jù)、多波段成像數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)（若技術可行且有必要）。挑戰(zhàn)：行星大氣通常透明度有限，可能需要較長的積分時間或高靈敏度儀器；大氣成分復雜且可能變化；需要精確定標以分離大氣信號和表面信號；部分行星大氣動態(tài)變化迅速，需要高時間分辨率觀測。應對策略：選擇信噪比高、光譜覆蓋范圍寬的儀器；利用已知大氣窗口進行觀測；發(fā)展先進的數(shù)據(jù)處理算法分離大氣和表面信號；根據(jù)科學目標優(yōu)化觀測策略（如選擇合適的目標星、觀測時間、觀測模式）。四、計算題1.解：開普勒第三定律T2/a3=constant。設地球系統(tǒng)常數(shù)為k1=1(年2/AU3)，行星系統(tǒng)常數(shù)為k2。則k1*(1AU)3/(1年)2=k2*(1.5AU)3/(4年)2。k1*1/1=k2*(1.5)3/(4)21=k2*3.375/16k2=16/3.375k2≈4.74行星系統(tǒng)中心恒星質(zhì)量M?=k2*M?，其中M?為太陽質(zhì)量。M?≈4.74*M?估算結(jié)果：該行星系統(tǒng)的中心恒星質(zhì)量約為4.74倍太陽質(zhì)量。2.解：估算行星表面反射率（BondAlbedo）需要計算總?cè)肷涔β屎推渲斜环瓷涞娇臻g的總功率。*假設探測器光譜響應均勻，像素接收到的總photon數(shù)N=100。每個photon平均能量E(假設在可見光波段中心，約2eV)。*總能量E_total=N*E=100*2eV=200eV。*假設探測器效率為η(通常未知，此處假設η=1以簡化計算，實際應用中需考慮)，接收到的總功率P_received=E_total*η=200*η(單位：eV)。*需要將其轉(zhuǎn)換為功率密度（W/m2），假設探測器面積A_eff=1m2（單位像素面積假設為1km2，此假設與探測器實際尺寸不符，僅為計算便捷，需明確說明），則入射功率密度S_inc=P_received/A_eff=200*η/1m2=200*ηW/m2。*根據(jù)題意，50%功率來自大氣散射（P_scattered=0.5*S_inc），50%來自表面反射（P_reflected_surface=0.5*S_inc）。*反射到空間的總功率P_reflected=P_reflected_surface+P_scattered=0.5*S_inc+0.5*S_inc=S_inc。*BondAlbedoα=P_reflected/S_inc=1。*注意：此計算結(jié)果為1或100%，這與實際情況（行星表面反射率通常遠小于1）矛盾。此矛盾源于問題的設定和假設過于簡化。真實情況中，探測器響應非均勻，大氣散射路徑復雜，且反射率定義基于入射太陽輻射。若嚴格按照題意“50%散射+50%表面反射”計算，得到的是總反射比例，即α=1。但若題目意圖是計算表面材料的幾何反射率，則需假設表面是理想漫反射體且無大氣散射，或者需要提供入射太陽光強等其他參數(shù)。按題目字面計算結(jié)果為1，但這不代表真實物理場景。修正思路（更符合物理）：若要計算表面反射率，需明確入射的是太陽光還是探測器接收到的總功率。通常BondAlbedoα定義為反射到空間的太陽輻射總功率與入射太陽輻射總功率之比。在此題復雜設定下，計算物理上不明確。若簡化為：定義“表面反射率”為P_reflected_surface/S_inc=0.5。定義“大氣散射率”為P_scattered/S_inc=0.5。則BondAlbedo=(0.5+0.5)/S_inc/S_inc=1/S_inc(無量綱，且與S_inc成反比，無物理意義)。因此，原題計算方式存在歧義。若必須給出一個答案，需明確計算目標。假設題目想考察的是表面貢獻的比例，則P_reflected_surface/(P_reflected_surface+P_scattered)=0.5/1=0.5。即表面貢獻占總反射功率的50%。但這不是BondAlbedo。結(jié)論：題目條