2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——火星風(fēng)沙地貌形成模擬考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題1.簡述火星上主要的風(fēng)沙地貌類型及其形態(tài)特征。2.影響火星風(fēng)沙運(yùn)動的主要因素有哪些？請分別解釋其作用機(jī)制。3.火星沙粒的運(yùn)動方式有哪些？不同運(yùn)動方式對地貌形成有何影響？4.簡述物理模擬和數(shù)值模擬在火星風(fēng)沙地貌研究中的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)。二、論述題1.選擇一種火星上的風(fēng)沙地貌（如沙丘、風(fēng)蝕洼地等），詳細(xì)論述其形成機(jī)制及其與火星環(huán)境之間的關(guān)系。2.結(jié)合火星探測任務(wù)獲取的數(shù)據(jù)，論述火星風(fēng)沙地貌研究的科學(xué)價值和對理解火星環(huán)境、氣候演化及行星宜居性的意義。3.設(shè)計(jì)一個簡單的火星風(fēng)沙地貌數(shù)值模擬方案，說明模擬目的、關(guān)鍵參數(shù)、模擬步驟和預(yù)期結(jié)果，并闡述該方案在火星風(fēng)沙地貌研究中的應(yīng)用潛力。三、計(jì)算題1.假設(shè)火星表面某處風(fēng)速為15米/秒，沙粒粒徑為0.2毫米，請計(jì)算該處沙粒的躍移臨界風(fēng)速（提示：可以使用Bagnold公式進(jìn)行估算）。2.假設(shè)在一個火星風(fēng)沙地貌物理模擬實(shí)驗(yàn)中，模擬比例為1:100，模擬時間為1小時，實(shí)際模擬了火星表面風(fēng)沙運(yùn)動了100小時，請計(jì)算實(shí)際模擬的時間尺度是多少？試卷答案一、簡答題1.答案：火星上主要的風(fēng)沙地貌類型包括：沙丘（如沙壟、星狀沙丘、穹狀沙丘等）、風(fēng)蝕洼地、風(fēng)積錐、yardang（風(fēng)蝕脊）等。沙丘通常呈線性或弧形排列，形態(tài)受風(fēng)向和沙源控制；風(fēng)蝕洼地是風(fēng)力侵蝕形成的碗狀或漏斗狀地形；風(fēng)積錐是風(fēng)力沉積形成的錐狀地形；yardang是風(fēng)蝕形成的狹長脊?fàn)畹匦巍＝馕鏊悸罚嚎疾鞂鹦秋L(fēng)沙地貌基本類型的掌握。需要學(xué)生能夠列舉主要的火星風(fēng)沙地貌類型，并簡要描述其形態(tài)特征。答題時應(yīng)準(zhǔn)確命名地貌類型，并描述其典型形態(tài)。2.答案：影響火星風(fēng)沙運(yùn)動的主要因素包括：風(fēng)速（決定沙粒運(yùn)動方式和搬運(yùn)距離）、沙粒粒徑和形狀（影響沙粒的密度、空氣動力學(xué)特性和運(yùn)動阻力）、表面粗糙度（影響近地表氣流速度和沙粒起跳條件）、重力（影響沙粒沉降和堆積）、風(fēng)力方向和穩(wěn)定性（影響沙丘形態(tài)和遷移方向）等。這些因素相互作用，共同控制著火星風(fēng)沙的運(yùn)動過程。解析思路：考察對影響火星風(fēng)沙運(yùn)動因素的理解。需要學(xué)生能夠列出主要影響因素，并解釋每個因素的作用機(jī)制。答題時應(yīng)全面列舉因素，并清晰說明每個因素如何影響風(fēng)沙運(yùn)動。3.答案：火星沙粒的運(yùn)動方式主要包括躍移和蠕移。躍移是指沙粒在風(fēng)力作用下被托起，進(jìn)行間歇性的跳躍運(yùn)動，搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)；蠕移是指沙粒在近地表氣流中做滾動或滑動運(yùn)動，搬運(yùn)距離較短。不同運(yùn)動方式對地貌形成的影響不同：躍移是形成沙丘等大規(guī)模風(fēng)沙地貌的主要搬運(yùn)方式；蠕移主要在近地表形成沙薄層和沙席。解析思路：考察對火星沙粒運(yùn)動方式及其地貌影響的理解。需要學(xué)生能夠區(qū)分躍移和蠕移兩種主要運(yùn)動方式，并解釋其運(yùn)動特征以及對地貌形成的不同貢獻(xiàn)。4.答案：物理模擬是通過構(gòu)建與火星環(huán)境相似的物理模型，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬風(fēng)沙運(yùn)動過程，直觀展示地貌形成演化過程。優(yōu)點(diǎn)是直觀性強(qiáng)，可以提供定性的觀察結(jié)果；缺點(diǎn)是難以完全模擬火星的復(fù)雜環(huán)境，成本高，規(guī)模受限。數(shù)值模擬是利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，模擬風(fēng)沙運(yùn)動過程，可以模擬更復(fù)雜的環(huán)境條件和更長的時間尺度。優(yōu)點(diǎn)是成本低，可以模擬復(fù)雜條件，可重復(fù)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是結(jié)果依賴于模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)的選擇，缺乏直觀性。解析思路：考察對物理模擬和數(shù)值模擬方法在火星風(fēng)沙地貌研究中的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)的理解。需要學(xué)生能夠分別描述兩種模擬方法的基本原理、應(yīng)用場景，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。二、論述題1.答案：以火星沙丘為例，其形成機(jī)制主要是風(fēng)力對沙粒的搬運(yùn)和沉積作用。當(dāng)風(fēng)速超過沙粒的躍移臨界風(fēng)速時，沙粒開始躍移運(yùn)動。在風(fēng)力作用下，沙粒被搬運(yùn)到背風(fēng)坡，由于摩擦和沉降，沙粒逐漸沉積下來，形成沙丘的迎風(fēng)坡。隨著風(fēng)向的變化或沙源的增加，沙丘會不斷遷移和變形，形成不同的沙丘形態(tài)，如沙壟、星狀沙丘等。沙丘的形成與火星的低重力、干燥的大氣環(huán)境、豐富的沙源以及多變的風(fēng)力條件密切相關(guān)。解析思路：考察對火星風(fēng)沙地貌形成機(jī)制的綜合理解和論述能力。需要學(xué)生選擇一種具體的風(fēng)沙地貌，詳細(xì)解釋其形成過程，并闡述其與火星環(huán)境的聯(lián)系。答題應(yīng)邏輯清晰，論述充分，體現(xiàn)對形成機(jī)制的深刻理解。2.答案：火星風(fēng)沙地貌研究具有重要的科學(xué)價值。通過對火星風(fēng)沙地貌的觀測和模擬，可以了解火星的過去和現(xiàn)在的大氣狀況、風(fēng)場特征和氣候環(huán)境。例如，沙丘的形態(tài)和分布可以反映火星的風(fēng)向和風(fēng)速變化，風(fēng)蝕洼地和yardang的形成可以揭示火星表面的風(fēng)蝕作用強(qiáng)度和方向。此外，風(fēng)沙地貌研究有助于評估火星的行星宜居性，因?yàn)轱L(fēng)沙活動會影響火星表面的物質(zhì)循環(huán)、水冰的保存以及潛在的生物生存環(huán)境?；鹦翘綔y任務(wù)（如“勇氣號”、“機(jī)遇號”、“好奇號”、“毅力號”等）獲取的大量影像和數(shù)據(jù)，極大地推動了火星風(fēng)沙地貌研究的發(fā)展，為我們理解火星環(huán)境、氣候演化以及尋找地外生命跡象提供了重要線索。解析思路：考察對火星風(fēng)沙地貌研究科學(xué)價值的綜合理解和論述能力。需要學(xué)生結(jié)合火星探測數(shù)據(jù)和研究成果，論述風(fēng)沙地貌研究在理解火星環(huán)境、氣候演化、行星宜居性等方面的意義。答題應(yīng)具有廣度和深度，體現(xiàn)對研究意義的全面認(rèn)識。3.答案：設(shè)計(jì)一個簡單的火星風(fēng)沙地貌數(shù)值模擬方案如下：模擬目的：研究火星特定區(qū)域沙丘的形成和遷移過程。關(guān)鍵參數(shù)：火星重力（約0.38g）、火星大氣密度和粘度、沙粒粒徑和密度、初始地形和風(fēng)場數(shù)據(jù)。模擬步驟：1.建立二維或三維的數(shù)值模型，輸入火星特定區(qū)域的初始地形和風(fēng)場數(shù)據(jù)；2.設(shè)定沙粒參數(shù)，包括粒徑分布、密度等；3.運(yùn)行模型，模擬風(fēng)力作用下的沙粒躍移和蠕移過程，記錄沙丘形態(tài)的變化；4.分析模擬結(jié)果，包括沙丘的形態(tài)、遷移方向、遷移速率等。預(yù)期結(jié)果：模型應(yīng)能夠模擬出與觀測相似的沙丘形態(tài)和遷移模式，如沙壟的定向排列、沙丘的形狀變化等。應(yīng)用潛力：該方案可以用于研究不同風(fēng)場、沙源和地形條件下沙丘的形成和遷移過程，為火星表面工程設(shè)計(jì)和風(fēng)沙災(zāi)害防治提供理論依據(jù)。解析思路：考察學(xué)生設(shè)計(jì)火星風(fēng)沙地貌數(shù)值模擬方案的能力。需要學(xué)生能夠根據(jù)要求，設(shè)計(jì)一個包含模擬目的、關(guān)鍵參數(shù)、模擬步驟和預(yù)期結(jié)果的完整方案，并闡述該方案的應(yīng)用潛力。答題應(yīng)體現(xiàn)對數(shù)值模擬基本流程和相關(guān)參數(shù)的理解。三、計(jì)算題1.答案：使用Bagnold公式估算躍移臨界風(fēng)速：μ*ρs*Vs^2/(ρd*g*D)=0.1,其中μ為空氣動力粘度,ρs為沙粒密度,Vs為沙粒沉降速度,ρd為空氣密度,g為重力加速度,D為沙粒粒徑。火星條件下,g≈3.71m/s^2,ρd≈1.2kg/m^3,μ≈1.9x10^-5Pa·s,ρs≈2500kg/m^3,D=0.2mm=0.0002m。沙粒沉降速度Vs可近似為Vs=sqrt((ρs-ρd)*g*D/ρd)=sqrt((2500-1.2)*3.71*0.0002/1.2)≈0.86m/s。代入Bagnold公式:1.9x10^-5*2500*15^2/(1.2*3.71*0.0002)≈0.12。由于計(jì)算結(jié)果小于0.1，說明15米/秒已超過躍移臨界風(fēng)速。解析思路：考察運(yùn)用Bagnold公式進(jìn)行躍移臨界風(fēng)速估算的能力。需要學(xué)生掌握Bagnold公式及其相關(guān)參數(shù)的含義，并根據(jù)火星的物理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。注意單位的換算和數(shù)值的代入。2.答案：實(shí)際模擬時間=模擬時間比例*模擬時長=1