2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星系統(tǒng)中能源和物質(zhì)平衡分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在行星系統(tǒng)中，決定一個行星表面有效溫度的主要因素是：A.行星自轉(zhuǎn)速度B.行星大氣密度C.行星與恒星的距離及接收到的總輻射D.行星表面的巖石顏色2.以下哪種機(jī)制主要將熱量從行星內(nèi)部傳遞到表面？A.大氣對流B.地表輻射C.熱傳導(dǎo)D.反照率變化3.反照率高的行星表面，其能量平衡狀態(tài)通常是：A.容易升溫，因?yàn)槲崭噍椛銪.容易升溫，因?yàn)榉瓷涓噍椛銫.容易降溫，因?yàn)槲崭噍椛銬.容易降溫，因?yàn)榉瓷涓噍椛?.與地球相比，金星表面溫度遠(yuǎn)高于其有效溫度，最主要的原因是：A.金星接收到的太陽輻射更多B.金星大氣層非常稀薄C.金星大氣中存在強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)氣體D.金星的自轉(zhuǎn)速度更慢5.行星形成過程中，物質(zhì)按密度分異，導(dǎo)致：A.重元素聚集在行星中心B.輕元素聚集在行星表面C.元素分布完全均勻D.只有放射性元素留在核心6.地球水循環(huán)中，將水從地表蒸發(fā)到大氣的主要能量來源是：A.地球內(nèi)部放射性衰變B.地球接收的太陽輻射C.地球核心熱量D.月球引力潮汐力7.與火星相比，地球擁有更濃厚的大氣層和更活躍的水循環(huán)，這主要得益于：A.地球與太陽的距離更近B.地球更大的質(zhì)量和引力C.地球更強(qiáng)的內(nèi)部熱流D.地球存在板塊構(gòu)造活動8.在行星科學(xué)中，同位素比率的變化可用于：A.推測行星表面溫度B.判斷行星的大氣成分C.追溯行星形成和演化的歷史D.測量行星的自轉(zhuǎn)速度9.行星系統(tǒng)中的物質(zhì)平衡通常指的是：A.行星大氣中某種氣體的含量保持不變B.行星內(nèi)部元素總量在長時間尺度上基本守恒C.水在行星表面的儲量和遷移量恒定D.行星與衛(wèi)星之間的物質(zhì)交換量恒定10.放射性元素在行星內(nèi)部衰變釋放的熱量，對于行星：A.只在形成早期起作用B.只在行星冷卻后期起作用C.在行星整個生命史中都可能提供重要熱量來源D.主要用于驅(qū)動大氣環(huán)流二、填空題1.行星接收到太陽輻射后，能量主要通過________、________和________三種方式向外傳遞。2.斯特藩-玻爾茲曼定律描述了黑體輻射的總功率與其________的四次方成正比的關(guān)系。3.蘭布達(dá)公式（或稱賽爾定律）定量描述了行星向空間發(fā)出的有效輻射功率與其接收到的太陽輻射功率、行星反照率和________之間的關(guān)系。4.行星內(nèi)部的熱量如果不能有效地通過輻射散發(fā)到外太空，會導(dǎo)致行星內(nèi)部溫度升高，這種現(xiàn)象類似于地球大氣中的________效應(yīng)。5.行星科學(xué)中，常通過比較不同天體的________和________比率來推斷其形成和演化的歷史。6.地球大氣中的水蒸氣、二氧化碳等氣體能吸收并重新輻射紅外線，阻止地表熱量散失，這是地球________的主要原因。7.地球巖石圈板塊的俯沖和熔融是________循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。8.金星的高表面溫度和稀薄大氣主要是由其與太陽的________以及大氣成分決定的。9.與地球相比，火星大氣極其稀薄，其主要原因是火星的________不足以束縛住氣體。10.行星系統(tǒng)中的物質(zhì)平衡分析需要考慮物質(zhì)在________、________、________等不同圈層之間的遷移和轉(zhuǎn)化。三、簡答題1.簡述溫室效應(yīng)的基本原理及其對地球宜居性的意義。2.解釋什么是行星的有效溫度，并說明其與行星實(shí)際表面溫度之間的關(guān)系。3.簡述行星形成過程中，重元素和輕元素如何進(jìn)行分異。四、計(jì)算題1.假設(shè)某行星與恒星的平均距離是地球與太陽平均距離的1.5倍。忽略行星大氣影響，估算該行星的有效溫度是地球有效溫度的多少倍？（已知地球與太陽平均距離為1AU，可使用斯特藩-玻爾茲曼定律和蘭布達(dá)公式，地球接收太陽常數(shù)約為1361W/m2，斯特藩常數(shù)σ≈5.67x10??W/m2K?）2.地球大氣中的二氧化碳濃度約為420ppm（百萬分之420）。假設(shè)二氧化碳對紅外線的吸收效率使得其貢獻(xiàn)的溫室效應(yīng)相當(dāng)于增加約3.7W/m2的輻射forcing。請簡述這個輻射forcing是如何影響地球能量平衡的，并定性說明如果二氧化碳濃度加倍，對地球能量平衡可能產(chǎn)生什么影響。五、論述題試比較地球和火星在能量平衡和物質(zhì)循環(huán)方面的主要差異，并分析這些差異對兩顆行星宜居性形成的影響。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.C5.A6.B7.B8.C9.B10.C二、填空題1.輻射對流傳導(dǎo)2.溫度3.絕對溫度的四次方(或T?)4.溫室5.元素同位素6.溫室效應(yīng)7.硅酸鹽8.距離9.質(zhì)量(或引力)10.大氣圈巖石圈水圈三、簡答題1.答：溫室效應(yīng)是指地球大氣層中的某些氣體（如二氧化碳、水蒸氣）能夠吸收來自地表的紅外輻射，并部分重新輻射回地表，從而提升地球表面溫度的現(xiàn)象。其基本原理是：太陽短波輻射穿透大氣到達(dá)地表，地表吸收后升溫并發(fā)出長波紅外輻射，大氣中的溫室氣體吸收這些紅外輻射，再向各方向輻射，部分能量返回地表。這如同溫室玻璃一樣，允許陽光進(jìn)入但阻止熱量散失。溫室效應(yīng)使得地球表面溫度比沒有大氣層時高出約33°C，是地球宜居的關(guān)鍵因素之一。2.答：行星的有效溫度是指假設(shè)該行星是一個理想黑體，并且其接收到的太陽輻射與實(shí)際行星相同，那么它因輻射而達(dá)到的熱平衡狀態(tài)下的溫度。它代表了行星向空間散失能量的平均速率所對應(yīng)的黑體溫度。行星的實(shí)際表面溫度會受到大氣層（溫室效應(yīng)或冷卻效應(yīng)）、地表反照率等因素的影響，通常高于或低于其有效溫度。例如，金星的實(shí)際表面溫度遠(yuǎn)高于其有效溫度，而地球的實(shí)際表面溫度則與其有效溫度較為接近（扣除大氣影響后）。3.答：在行星形成初期，行星內(nèi)部處于熔融或半熔融狀態(tài)，具有足夠的溫度和流動性。在重力和熱力的驅(qū)動下，密度較大的物質(zhì)（如鐵、鎳等重元素）會向行星中心沉降，聚集形成核心；而密度較小的物質(zhì)（如硅酸鹽、水冰等輕元素）則相對上浮，聚集在行星的外部圈層，形成地幔、地殼和大氣等。這個過程稱為物質(zhì)分異，是行星形成和早期演化的重要階段，最終形成了具有內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的行星。四、計(jì)算題1.解：設(shè)恒星輻射功率為S，行星半徑為R，行星與恒星距離為d。地球有效溫度T?可由蘭布達(dá)公式估算：S(1-A?)=4πR2σT??（A?為地球反照率，可近似忽略）某行星有效溫度T?：S(1-A?)=4πR2σT??（A?可近似忽略）兩式相除得：(1-A?)/(1-A?)≈T??/T??由于A?≈A?，故T??/T??≈(d?/d?)2T?/T?≈(d?/d?)^(1/2)已知d?/d?=1.5，則d?/d?=1/1.5=2/3T?/T?≈(2/3)^(1/2)≈0.816答：該行星的有效溫度約為地球有效溫度的0.82倍。*(注：此計(jì)算忽略了行星本身反照率、大氣以及內(nèi)部熱源的影響，為理想化估算)*2.解：輻射forcing指的是大氣成分變化導(dǎo)致到達(dá)地表的總輻射或地表向外輻射的凈變化量。在本題中，增加的3.7W/m2輻射forcing是指二氧化碳吸收并重新輻射紅外線，導(dǎo)致更多熱量返回地表，使得地表接收到的凈輻射能量增加3.7W/m2。這會打破原有的能量平衡，地表系統(tǒng)需要吸收額外的能量來達(dá)到新的平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致地表溫度升高。如果二氧化碳濃度加倍，根據(jù)溫室效應(yīng)原理，其吸收和重新輻射紅外線的總量也會增加，導(dǎo)致額外的輻射forcing，進(jìn)而可能使地球地表溫度進(jìn)一步升高。這種增溫效應(yīng)會引發(fā)一系列氣候反饋，如冰川融化導(dǎo)致反照率降低、水蒸氣濃度增加（更強(qiáng)的溫室效應(yīng)）等，可能形成正反饋，加劇全球變暖。五、論述題答：地球與火星在能量平衡和物質(zhì)循環(huán)方面存在顯著差異，這些差異主要源于兩者與太陽的距離、質(zhì)量、自轉(zhuǎn)、大氣組成等因素，進(jìn)而深刻影響了它們的宜居性。能量平衡差異：1.能量來源與輸入：地球與太陽距離適中（1AU），接收的太陽輻射適中；而火星距離太陽更遠(yuǎn)（約1.52AU），接收到的太陽總輻射僅為地球的約43%。這是兩者能量平衡最根本的差異。2.能量傳遞機(jī)制：地球擁有濃厚的大氣層和活躍的水循環(huán)，通過大氣對流和洋流有效地將內(nèi)部熱量和地表吸收的太陽輻射輸送到全球，能量分布相對均勻?；鹦谴髿庀”。ú坏降厍虻?%），熱量主要通過傳導(dǎo)和對流在有限的地表范圍內(nèi)傳遞，且效率低下，導(dǎo)致晝夜溫差和季節(jié)溫差極大，能量分布極不均勻。3.能量耗散：地球通過大氣和海洋的輻射過程有效地將能量散失到外太空?；鹦怯捎诖髿獗∪酰乇硐蛲馓盏闹苯虞椛涫侵饕纳岱绞?，但效率較低，且極地冰蓋在能量調(diào)節(jié)中扮演一定角色。4.內(nèi)部熱源：地球內(nèi)部仍存在顯著的熱量（放射性衰變、殘余熱量），通過火山活動等向大氣釋放熱量，對能量平衡有補(bǔ)充作用?；鹦莾?nèi)部已基本冷卻，內(nèi)部熱源貢獻(xiàn)很小。物質(zhì)循環(huán)差異：1.大氣演化：地球大氣經(jīng)歷了從早期還原性大氣到當(dāng)前以氮氧為主的氧化性大氣的復(fù)雜演化，并維持相對穩(wěn)定?；鹦窃缙诳赡苡羞^厚大氣，但因地殼活動減弱、缺乏全球磁場保護(hù)、可能存在金星“引力彈弓”效應(yīng)等原因，大氣逐漸流失，目前僅剩稀薄且以二氧化碳為主的atmosphere。2.水循環(huán)：地球擁有豐富的液態(tài)水，形成了完整的大氣-海洋-地表水循環(huán)，水以氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)形式廣泛存在和遷移?；鹦菤v史上可能存在液態(tài)水，形成了干涸的河床、三角洲和極地冰蓋，但目前地表水主要以冰的形式存在，水循環(huán)極其微弱，缺乏液態(tài)水。3.碳循環(huán)：地球碳循環(huán)涉及大氣、海洋、生物圈、巖石圈等多個圈層，通過生物作用、海洋吸收、巖漿活動等過程長期進(jìn)行，對調(diào)節(jié)地球氣候和pH值至關(guān)重要?；鹦翘贾饕怨腆w形式儲存在地殼和地幔中，大氣中的二氧化碳含量高但參與地表碳循環(huán)的機(jī)制不明確。4.巖石圈與地幔循環(huán)：地球活躍的板塊構(gòu)造是巖石圈物質(zhì)循環(huán)的主要方式，通過俯沖、熔融、火山活動等不斷更新地殼和地幔物質(zhì)?；鹦侨狈θ蛐园鍓K構(gòu)造，其巖石圈和地?；顒游⑷?，物質(zhì)