2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星科學(xué)與空間科學(xué)的聯(lián)系考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)簡(jiǎn)述行星科學(xué)研究的核心內(nèi)容，并列舉至少三種關(guān)鍵技術(shù)手段及其在行星科學(xué)研究中的應(yīng)用領(lǐng)域。二、空間通信技術(shù)在行星探測(cè)中扮演著至關(guān)重要的角色。請(qǐng)闡述空間通信技術(shù)需要克服的主要挑戰(zhàn)，并說明這些挑戰(zhàn)如何影響行星探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃和執(zhí)行。三、以火星探測(cè)為例，請(qǐng)分析遙感技術(shù)（包括光學(xué)成像、光譜探測(cè)、雷達(dá)探測(cè)等）在揭示火星地質(zhì)構(gòu)造、水活動(dòng)歷史及大氣特征方面的主要貢獻(xiàn)。四、軌道力學(xué)是空間科學(xué)的核心組成部分，它為行星探測(cè)器的設(shè)計(jì)和任務(wù)規(guī)劃提供了基礎(chǔ)。請(qǐng)解釋如何利用軌道力學(xué)原理來研究行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或質(zhì)量分布，并舉例說明。五、樣本返回任務(wù)被認(rèn)為是行星科學(xué)研究中的“終極手段”之一。請(qǐng)論述空間技術(shù)（如樣本采集、封裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、返回著陸等）如何支撐樣本返回任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，以及這些樣本對(duì)深化行星科學(xué)認(rèn)知的重要性。六、伽利略號(hào)探測(cè)器對(duì)木星的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了開創(chuàng)性的探測(cè)。請(qǐng)結(jié)合該任務(wù)，分析其在推動(dòng)空間探測(cè)技術(shù)創(chuàng)新（例如軌道設(shè)計(jì)、儀器配置、數(shù)據(jù)處理等方面）方面的具體表現(xiàn)和貢獻(xiàn)。七、請(qǐng)闡述行星磁場(chǎng)探測(cè)對(duì)于理解行星的形成與演化、內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程的意義，并說明空間磁力計(jì)在實(shí)現(xiàn)這一探測(cè)目標(biāo)中的作用原理。八、未來對(duì)更遙遠(yuǎn)行星（如系外行星）的探索將面臨更大的挑戰(zhàn)。請(qǐng)結(jié)合空間科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，探討未來可能采用哪些新的空間技術(shù)或策略來克服這些挑戰(zhàn)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)遙遠(yuǎn)行星更深入的了解。九、請(qǐng)比較并分析雷達(dá)探測(cè)和光學(xué)成像技術(shù)在探測(cè)水手星（Mercury）這類特殊行星（如接近太陽、表面反照率低）時(shí)的優(yōu)劣勢(shì)，并說明選擇探測(cè)任務(wù)中技術(shù)組合的考量因素。十、從行星科學(xué)的需求出發(fā)，請(qǐng)論述其對(duì)空間技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)力體現(xiàn)在哪些方面，并舉例說明行星科學(xué)前沿問題如何引導(dǎo)空間技術(shù)的創(chuàng)新方向。試卷答案一、核心內(nèi)容：行星科學(xué)主要研究行星（包括行星、衛(wèi)星、小行星、彗星等天體）的形成、演化和當(dāng)前狀態(tài)，涉及其地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、大氣圈、水圈、磁場(chǎng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成成分、生命起源與演化的科學(xué)。關(guān)鍵技術(shù)手段及其應(yīng)用領(lǐng)域：1.遙感探測(cè)（光學(xué)成像、雷達(dá)、光譜等）：應(yīng)用領(lǐng)域包括行星表面地形測(cè)繪、地質(zhì)構(gòu)造分析、大氣成分與云層結(jié)構(gòu)探測(cè)、冰蓋與液態(tài)水體分布調(diào)查等。2.軌道與測(cè)控技術(shù)：應(yīng)用領(lǐng)域包括確定行星及其衛(wèi)星的軌道參數(shù)、測(cè)距測(cè)速以研究行星質(zhì)量與密度分布、為探測(cè)器提供導(dǎo)航與通信支持等。3.樣本分析技術(shù)（在軌或地面）：應(yīng)用領(lǐng)域包括對(duì)返回的行星樣本（巖石、塵埃等）進(jìn)行成分分析（光譜、質(zhì)譜等）、結(jié)構(gòu)分析（顯微鏡、X射線衍射等），以揭示行星的形成物質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和演化歷史。二、主要挑戰(zhàn)：1.巨大的距離導(dǎo)致信號(hào)延遲顯著：增加了通信的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)于需要快速?zèng)Q策的任務(wù)（如避障）不利。2.信號(hào)衰減嚴(yán)重：信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中能量損失大，需要高增益天線、大功率發(fā)射機(jī)和靈敏接收機(jī)。3.深空環(huán)境的干擾與噪聲：太陽、行星磁場(chǎng)以及宇宙射線的干擾影響通信質(zhì)量，需要有效的信號(hào)處理技術(shù)。4.有限的帶寬：傳輸速率受限，難以實(shí)時(shí)傳輸大量高分辨率圖像或高精度科學(xué)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮或優(yōu)先級(jí)排序。影響：這些挑戰(zhàn)要求探測(cè)器具備高度自主決策能力，任務(wù)規(guī)劃需要預(yù)留充足的時(shí)間裕度，探測(cè)器設(shè)計(jì)必須優(yōu)化功耗和通信系統(tǒng)性能，數(shù)據(jù)傳輸策略需要精心設(shè)計(jì)以保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取。三、遙感技術(shù)的主要貢獻(xiàn)：1.地質(zhì)構(gòu)造與地貌：光學(xué)成像提供了高分辨率地形圖，揭示了火山、隕石坑、峽谷、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造特征，幫助理解火星的地質(zhì)歷史和構(gòu)造演化。雷達(dá)探測(cè)（如MRO的SHARAD）能夠穿透火星表層沙塵或冰層，探測(cè)下方水冰分布或巖石層結(jié)構(gòu)。2.水活動(dòng)歷史：多光譜和熱紅外成像與光譜技術(shù)可以識(shí)別古代河床、湖泊、三角洲沉積物，分析礦物（如赤鐵礦、硫酸鹽）的分布，指示過去水的存在和作用。雷達(dá)可探測(cè)地下含水層。大氣光譜探測(cè)可分析水蒸氣、二氧化碳等與水循環(huán)相關(guān)的氣體。3.大氣特征：可見光和紫外成像可觀測(cè)云、霧、塵暴、極光等大氣現(xiàn)象。光譜技術(shù)可測(cè)量大氣成分（如CO2、水蒸氣、甲烷）的濃度和垂直分布。雷達(dá)和激光雷達(dá)可探測(cè)大氣溫度、密度和風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。四、利用軌道力學(xué)研究行星內(nèi)部：1.軌道擾動(dòng)分析：通過精確測(cè)量人造衛(wèi)星圍繞行星運(yùn)行的軌道參數(shù)（周期、半長(zhǎng)軸、偏心率等）隨時(shí)間的變化，可以探測(cè)到行星引力場(chǎng)的非球?qū)ΨQ性。這種非對(duì)稱性源于行星內(nèi)部質(zhì)量分布的不均勻（如內(nèi)核、外核、地幔的密度差異或大型質(zhì)量集中體），通過分析這些擾動(dòng)，可以推斷行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。2.引力梯度測(cè)量：對(duì)于掠過行星或飛越其衛(wèi)星的探測(cè)器，其受到的引力變化可以非常精確地測(cè)量。通過分析引力梯度場(chǎng)，可以反演行星的質(zhì)量密度分布，揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊界（如地核-地幔邊界）。舉例：利用伽利略號(hào)探測(cè)器繞木星的軌道數(shù)據(jù)，科學(xué)家通過分析其軌道擾動(dòng)，推斷出木星存在一個(gè)比之前認(rèn)為的更大的固態(tài)核心，并估計(jì)了其質(zhì)量和半徑范圍。五、空間技術(shù)對(duì)樣本返回的支撐：1.樣本采集與封裝：需要專門設(shè)計(jì)的機(jī)械臂、鉆頭、鏟子等采樣工具（空間技術(shù)），以及能夠密封保護(hù)樣本免受污染和空間環(huán)境（輻射、微流星體）影響的特殊容器（空間技術(shù)）。2.樣本存儲(chǔ)與管理：在軌飛行器需要配備低溫或穩(wěn)定環(huán)境存儲(chǔ)裝置，防止樣本變質(zhì)或污染其他樣本（空間技術(shù)）。3.精確的返回軌道設(shè)計(jì)：需要精確計(jì)算探測(cè)器返回地球（或其他目標(biāo)天體）的軌道，并進(jìn)行精確的軌道機(jī)動(dòng)（變軌）控制（軌道力學(xué)與推進(jìn)技術(shù)）。4.返回著陸與回收：需要開發(fā)耐熱的再入大氣層系統(tǒng)、著陸減速技術(shù)（降落傘、反推火箭），以及可靠的著陸器和地面回收系統(tǒng)（空間技術(shù)）。重要性：樣本提供了直接、原位的物理信息，能夠提供遙感探測(cè)和地球?qū)嶒?yàn)室分析無法獲得的高分辨率結(jié)構(gòu)、礦物成分、同位素比率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)于驗(yàn)證行星形成模型、研究行星演化和生命起源等基本科學(xué)問題具有不可替代的價(jià)值。六、伽利略號(hào)的主要貢獻(xiàn)：1.軌道設(shè)計(jì)創(chuàng)新：它首次采用了利用木衛(wèi)一引力彈弓效應(yīng)進(jìn)行減速和軌道變軌的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)木星及其多個(gè)衛(wèi)星（Io,Europa,Ganymede,Callisto）的多軌道探測(cè)，極大地節(jié)省了燃料和任務(wù)時(shí)間。2.多任務(wù)綜合：伽利略號(hào)同時(shí)攜帶了多種先進(jìn)儀器（磁力計(jì)、成像儀、光譜儀、質(zhì)譜儀、雷達(dá)等），實(shí)現(xiàn)了對(duì)木星大氣、磁場(chǎng)、衛(wèi)星表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)境的綜合探測(cè)。3.木衛(wèi)二（Europa）探測(cè)：其對(duì)木衛(wèi)二的探測(cè)發(fā)現(xiàn)了其表面水冰裂隙中的羽流活動(dòng)，強(qiáng)烈暗示了其冰殼下存在液態(tài)水海洋，成為推動(dòng)未來對(duì)木衛(wèi)二進(jìn)行更深入探測(cè)的重要驅(qū)動(dòng)力。4.木星大氣與磁場(chǎng)研究：對(duì)木星大紅斑、極光、磁場(chǎng)全球建模、與太陽風(fēng)相互作用等方面取得了突破性成果。七、行星磁場(chǎng)探測(cè)的意義：1.形成與演化：行星磁場(chǎng)的存在通常意味著其內(nèi)部存在液態(tài)的、具有導(dǎo)電性的外核。探測(cè)磁場(chǎng)可以推斷行星的內(nèi)部狀態(tài)（如外核是否存在、地幔對(duì)流性質(zhì)），揭示行星的形成和早期演化歷史。2.內(nèi)部動(dòng)力學(xué)：磁場(chǎng)的強(qiáng)度、形態(tài)和變化可以反映行星內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程，如地幔對(duì)流模式、核心的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)等。3.宜居性評(píng)估：強(qiáng)大的全球性磁場(chǎng)可以有效地偏轉(zhuǎn)高能宇宙射線和太陽風(fēng)粒子，保護(hù)行星表面和大氣層免受過度侵蝕，對(duì)于評(píng)估行星的宜居性至關(guān)重要。磁力計(jì)作用原理：空間磁力計(jì)通過敏感的傳感器（如超導(dǎo)量子干涉儀SQUID或原子磁力計(jì)）精確測(cè)量探測(cè)器在空間中感受到的總磁場(chǎng)矢量（包括行星固有的磁場(chǎng)和外部磁場(chǎng)/干擾）。通過分析測(cè)量數(shù)據(jù)，可以繪制行星的磁場(chǎng)圖，研究磁場(chǎng)的來源和特性。八、未來可能采用的策略與技術(shù)：1.更先進(jìn)的深空通信技術(shù)：發(fā)展更高帶寬、更低延遲的通信系統(tǒng)（如激光通信），提高數(shù)據(jù)傳輸效率。2.自主化與智能化：提升探測(cè)器的自主導(dǎo)航、決策和科學(xué)目標(biāo)選擇能力，減少地面干預(yù)需求。3.新型推進(jìn)技術(shù)：研發(fā)更高效的推進(jìn)系統(tǒng)（如電推進(jìn)、核推進(jìn)），縮短旅行時(shí)間，降低任務(wù)能量需求。4.小型化、低成本、星座化探測(cè)：部署多顆小型、低成本探測(cè)器組成的星座，實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋或多角度觀測(cè)，分擔(dān)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，降低單次任務(wù)成本。5.直接進(jìn)入目標(biāo)大氣層采樣：對(duì)于系外行星或難以返回的近鄰天體，研究直接通過大氣進(jìn)入、采樣并返回的技術(shù)方案。6.利用引力彈弓的優(yōu)化組合：設(shè)計(jì)更復(fù)雜的引力彈弓序列，利用大型天體（如木星、土星）的引力進(jìn)行多次減速和軌道調(diào)整，飛往更遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。九、雷達(dá)與光學(xué)成像的比較：雷達(dá)探測(cè)優(yōu)勢(shì)：對(duì)光照條件不敏感，可全天候工作；能夠穿透云層、塵埃、薄冰層，獲取下方信息；對(duì)于高反射率表面（如水冰）分辨率可能更高。雷達(dá)探測(cè)劣勢(shì)：信號(hào)衰減快，對(duì)遠(yuǎn)距離探測(cè)要求更高功率或更大天線；圖像分辨率受波長(zhǎng)限制，通常低于光學(xué)成像；數(shù)據(jù)處理相對(duì)復(fù)雜。光學(xué)成像優(yōu)勢(shì)：可提供極高的空間分辨率和豐富的顏色信息，能直接看到表面細(xì)節(jié)和形態(tài)；技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單。光學(xué)成像劣勢(shì)：嚴(yán)重依賴光照條件，陰影區(qū)域信息缺失；易受云層、大氣散射影響；對(duì)低反射率表面（如沙塵、巖石）效果較差，難以穿透。技術(shù)組合考量：實(shí)際任務(wù)中常組合使用。例如，光學(xué)成像用于快速獲取高分辨率地形和顏色信息，雷達(dá)用于探測(cè)地下結(jié)構(gòu)、識(shí)別光學(xué)難以識(shí)別的地質(zhì)特征或穿透云層。選擇依據(jù)任務(wù)目標(biāo)、目標(biāo)天體特性、探測(cè)距離、可用資源等綜合因素。十、空間技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)力：1.行星科學(xué)前沿問題的提出：對(duì)行星形成和演化的復(fù)雜過程（如地核形成、板塊構(gòu)造起源、生命起源條件、小行星撞擊效應(yīng)）的好奇心，驅(qū)動(dòng)了對(duì)更高精度測(cè)量、更深層次探測(cè)技術(shù)的需求。2.突破現(xiàn)有探測(cè)能力的限制：傳統(tǒng)的光學(xué)和無線電探測(cè)手段在探測(cè)遙遠(yuǎn)、暗小天體或需要穿透地表時(shí)能力有限，催生了雷達(dá)、光譜、磁力計(jì)、高靈敏度探測(cè)器等技術(shù)的發(fā)展。3.實(shí)現(xiàn)更原位、更直接的科學(xué)測(cè)量：對(duì)行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成分、環(huán)境進(jìn)行直接測(cè)量（如鉆孔取樣、著陸器部署、軌道器近距