2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——行星的地磁極翻轉現(xiàn)象考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題5分，共20分）1.定義“地磁極翻轉”現(xiàn)象，并簡述其與“地磁極漂移”的主要區(qū)別。2.簡述古地磁學研究中，利用火山巖或沉積巖記錄重建地磁極翻轉事件的主要依據(jù)和方法。3.列舉并簡要說明地磁極翻轉的兩種主要理論機制。4.地球與其他一些內(nèi)行星（如火星）的地磁場特征存在顯著差異，簡述這種差異對兩者磁場保護能力可能產(chǎn)生的影響。二、論述題（每題10分，共30分）5.詳細闡述地核羽流（CorePlume）理論在解釋地磁極翻轉現(xiàn)象中的核心觀點及其面臨的主要挑戰(zhàn)或爭議。6.地磁極翻轉的發(fā)生被認為是一個復雜的過程，可能涉及地核、地幔乃至地表系統(tǒng)的相互作用。請結合相關機制，論述地磁極翻轉的頻率、模式可能存在的不規(guī)律性，并探討這種不規(guī)律性對行星演化和宜居性評估的意義。7.除了地球，我們已在火星、木星等天體上觀測到地磁現(xiàn)象，但形式各異。請選取其中一至兩天體，對比其地磁場特征（來源、強度、形態(tài)、演化等）與地球進行詳細比較，并分析這些差異反映了它們在內(nèi)部結構、動力學狀態(tài)或演化歷史上的重要區(qū)別。三、分析題（共30分）8.假設某研究團隊在研究某顆類地行星的古老巖石時，發(fā)現(xiàn)其記錄的地磁極位置（虛擬的極性路徑）并非一個簡單的閉合回路，而是在經(jīng)歷數(shù)次清晰的極性反轉后，最終極性路徑呈現(xiàn)出顯著的非對稱性和“彎曲”特征，偏離了典型的對稱極性條帶模式。請分析這種非對稱的極性路徑可能暗示了哪些與該行星地磁場生成和演化相關的特殊機制或過程？并闡述你做出這種推斷的理由。試卷答案一、簡答題1.地磁極翻轉是指地球（或其他行星）地磁場的偶極分量逐漸減弱直至消失，隨后反向增強，最終形成新的地磁極的過程。其區(qū)別于地磁極漂移：翻轉是地磁場極性發(fā)生根本性轉變，即N極和S極的位置發(fā)生對調(diào)；漂移是指地磁極（磁軸與地理軸的交點）在地理坐標平面上的位置發(fā)生移動，但極性保持不變。2.依據(jù)是火山巖或沉積巖在形成時，會記錄下當時地磁場的方向。通過測量大量巖石樣本的磁化方向，可以確定古地磁極的位置。將不同地質(zhì)年代的古地磁極位置連接起來，形成極性路徑（PolePaths）或極性條帶（PolarityBelts），若條帶中包含多個由正極性到負極性再到正極性的完整反轉序列，即證明了地磁極翻轉事件的存在。3.主要機制包括：①液態(tài)外核的對流驅(qū)動：認為地核內(nèi)部的熱對流是地磁場變化和極性翻轉的根本驅(qū)動力。對流的模式（如軸對稱環(huán)狀對流、極地渦旋對流）不同，可能產(chǎn)生不同的地磁場演化模式，包括極性翻轉。②地核-地幔耦合：認為地幔的對流或形變可以通過某種機制（如潮汐耦合、熱耦合）影響外核的對流，從而觸發(fā)地磁場的劇烈變化甚至極性翻轉。4.地球具有強大的全球性偶極磁場，能有效偏轉和阻擋大部分太陽風粒子，保護了大氣層不被剝離，使得液態(tài)水得以穩(wěn)定存在。而火星現(xiàn)存的磁場是局部性的、強度很低的偶極場，且可能存在殘留的非偶極分量，其保護能力遠弱于地球，這被認為是火星早期濃厚大氣層丟失的重要原因之一。地磁極翻轉的強度和持續(xù)時間變化，會直接影響磁場的保護能力。二、論述題5.核心觀點：該理論認為，來自地核深部（可能源于核幔邊界或更深處的地幔）的熱物質(zhì)如同“羽流”一樣上升到地幔淺部，其上升過程和相關的對流模式能夠直接驅(qū)動地磁場的發(fā)生、變化甚至極性翻轉。例如，某些模型提出，羽流的上升可能擾亂外核的均勻?qū)α?，形成局部的強剪切帶或混沌對流，導致外核旋轉與地幔旋轉之間的耦合關系發(fā)生劇變，從而引發(fā)地磁場的快速反轉。挑戰(zhàn)與爭議在于：①如何精確模擬如此尺度巨大的地核-地幔耦合過程；②缺乏直接的觀測證據(jù)直接證實羽流的存在及其與地磁場翻轉的直接因果關系；③不同版本的羽流理論在具體機制和動力學細節(jié)上存在較大差異。6.地磁極翻轉的頻率和模式可能存在不規(guī)律性，這體現(xiàn)在：①翻轉事件并非發(fā)生在固定的時間間隔內(nèi)，地球歷史上不同地質(zhì)時期的翻轉頻率差異很大（如晚古生代翻轉頻繁，而新生代相對稀疏）；②單個翻轉事件持續(xù)的時間也變化很大，從幾百萬年到上億年不等；③地磁極在翻轉過程中的行為并非簡單的“關閉-開啟”，可能經(jīng)歷復雜的過渡階段，如非偶極分量的增強、極性混亂期等。這種不規(guī)律性反映了地核內(nèi)部動力學（如熱邊界條件變化、核心成分變化、對流的復雜模式）的復雜性，以及地核與地幔系統(tǒng)之間可能存在的復雜耦合關系。這種不規(guī)律性使得預測地磁場的未來行為極為困難，并對評估其他行星的磁場演化歷史和宜居性構成挑戰(zhàn)，因為磁場狀態(tài)的不穩(wěn)定性可能直接影響行星大氣和水的長期維持。7.以木星為例：木星擁有太陽系中最強的磁場，其強度約為地球的14倍。木星磁場主要由快速旋轉（約10小時一圈）且具有顯著液態(tài)金屬氫外核產(chǎn)生。其磁層極其巨大，延伸很遠，能捕獲大量的太陽風粒子形成巨大的磁層頂和磁尾。木星磁場的偶極矩占主導，但非偶極分量也相當顯著，使得其磁力線分布復雜。與地球相比，地球磁場由液態(tài)鐵外核產(chǎn)生，轉速較慢，磁場以偶極場為主，非偶極分量很小。火星則幾乎沒有全球性的穩(wěn)定磁場，只有一些局部剩余磁場和動態(tài)的感應磁場。這些差異反映了木星擁有規(guī)模巨大、成分特殊（液態(tài)金屬氫）且動力學活躍（高速自轉）的外核；地球具有適中的液態(tài)鐵外核和較慢的自轉；而火星外核可能已部分凝固或?qū)α骰顒訕O弱。這些內(nèi)部結構和動力學狀態(tài)的根本區(qū)別導致了三者地磁場在強度、形態(tài)、演化歷史和空間影響上的巨大差異。三、分析題8.這種非對稱的極性路徑可能暗示了以下幾種特殊機制或過程：*非軸對稱的地核對流：如果地核內(nèi)部的對流不是圍繞旋轉軸對稱的（例如，存在占優(yōu)勢的極地渦旋或環(huán)狀對流模式），則可能導致地磁場矢量在南北方向上的不對稱性，進而記錄在巖石中的極性路徑呈現(xiàn)非對稱性。*地核-地幔耦合的劇烈變化：地幔對流對地核磁場的影響可能是不對稱或斷續(xù)的。例如，如果地幔中的熱點活動或大規(guī)模形變主要發(fā)生在行星的某一側，可能對地核的對流和旋轉產(chǎn)生不對稱的“拖拽”或“沖擊”，導致地磁場發(fā)生非對稱的變化。*極性翻轉過程中的“混沌”階段：在地磁場從反轉前到反轉后的過渡階段，磁場可能非常不穩(wěn)定，非偶極分量可能短暫地占主導地位，或者存在多個強度不一的磁極同時存在。如果這種混沌狀態(tài)持續(xù)時間較長，或者最終的穩(wěn)定磁場具有非偶極對稱性，就會記錄下非對稱的極性路徑。*巖石形成時的非均勻磁化：如果巖石在形成過程中，其內(nèi)部的磁礦物受到的不均勻加熱或應力作用，可能導致其磁化方向記錄不準確或部分失真，使得原本應該對稱的極性路徑出現(xiàn)彎曲或不對稱。*行星自轉速度的變化：地磁場強度與行星自轉速度密切相關。如果該行星在記錄這些極性路徑的時期內(nèi)，自轉速度發(fā)生了顯著的不對稱變化（例如，南半球和北半球的自轉速度差異），也會導致地磁場產(chǎn)生非偶極分量，記錄為非對稱的極性