2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——歐洲、木星大紅斑形成機制考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.根據(jù)伽利略號探測器數(shù)據(jù)，請描述木衛(wèi)二表面地質(zhì)構(gòu)造的主要特征，并分析這些特征可能揭示的冰下海洋活動證據(jù)。2.簡述木星潮汐力對木衛(wèi)二地下海洋形成和維持可能起到的關(guān)鍵作用，并討論影響潮汐加熱效率的主要因素。二、3.木星大紅斑被廣泛認為是持續(xù)存在的反氣旋風暴。請闡述科里奧利力在形成和維持大紅斑這種大氣尺度渦旋中的作用機制。4.大紅斑呈現(xiàn)獨特的紅色可能源于某些化學物質(zhì)。列舉幾種被提出的可能產(chǎn)生大紅斑紅色成分的候選機制，并簡述其依據(jù)。三、5.對比木星大紅斑與地球上的超級細胞雷暴，在動力學特征和能量機制方面有何顯著差異？這種差異對理解大紅斑的形成和維持有何啟示？6.潮汐加熱被認為是解釋木星大紅斑長期穩(wěn)定存在的重要機制之一。請解釋潮汐加熱如何影響大紅斑內(nèi)部的熱量收支和動力學結(jié)構(gòu)，并討論其面臨的挑戰(zhàn)或質(zhì)疑。四、7.歐洲快船（EuropaClipper）任務(wù)計劃對木衛(wèi)二進行詳細的探測。請說明該任務(wù)的主要科學目標，特別是其在探索木衛(wèi)二海洋宜居性方面計劃采取的關(guān)鍵觀測策略。8.基于現(xiàn)有觀測，木衛(wèi)二被普遍認為具有潛在宜居性。請討論評估木衛(wèi)二海洋宜居性的主要科學指標，并分析當前觀測數(shù)據(jù)在哪些方面仍未滿足或仍存在不確定性。五、9.不同的理論模型對木星大紅斑的形成提出了多種可能性，例如快速碰撞模型、緩慢增長模型等。請比較這兩種（或更多）主要形成理論的異同點，并指出支持或反駁這些理論的關(guān)鍵證據(jù)類型。10.綜合木衛(wèi)二和木星大紅斑的研究，談?wù)勊鼈兏髯詾槔斫庑行窍到y(tǒng)的演化和生命起源提供了哪些獨特的科學視角和重要啟示。試卷答案一、1.木衛(wèi)二表面地質(zhì)構(gòu)造特征包括：年輕的冰殼（布滿裂縫和撞擊坑）、平行的線性特征（lineae）、弧形構(gòu)造（gullies）、混亂地形（tesserae）以及活躍的水噴流羽流。這些特征，特別是年輕冰殼、線狀和弧狀構(gòu)造，以及水噴流的存在，共同指向冰殼下方存在活躍的、可能與地下海洋溝通的地質(zhì)過程。2.木星潮汐力通過持續(xù)拉伸木衛(wèi)二，導(dǎo)致其冰殼內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力，這種應(yīng)力可以克服巖石圈脆性斷裂的臨界應(yīng)力，促進冰殼裂隙的張開和物質(zhì)交換。潮汐加熱產(chǎn)生的熱量是維持地下海洋液態(tài)水狀態(tài)的關(guān)鍵能源，其效率受木星與木衛(wèi)二距離（潮汐半長軸）、木星質(zhì)量、木衛(wèi)二的自轉(zhuǎn)周期以及冰殼厚度和剛度等多種因素影響。二、3.科里奧利力是地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的一種慣性力，在行星尺度上也同樣存在。在旋轉(zhuǎn)的木星大氣中，氣流從高壓區(qū)流向低壓區(qū)時，科里奧利力會使其偏向運動方向的右側(cè)（相對于自轉(zhuǎn)方向），促使氣流在高壓中心附近輻合上升，形成旋轉(zhuǎn)方向與木星自轉(zhuǎn)方向一致的氣旋。大紅斑正是這樣一個巨大的反氣旋（氣旋中心氣壓相對較低），其持續(xù)存在和巨大尺寸被認為是科里奧利力與木星強大大氣環(huán)流共同作用的結(jié)果。4.可能產(chǎn)生大紅斑紅色成分的候選機制包括：木星大氣中甲烷等簡單有機物在強紫外輻射和磁場作用下發(fā)生復(fù)雜的光化學反應(yīng)，生成復(fù)雜的碳氫化合物或硫磷化合物；來自木星其他衛(wèi)星（如木衛(wèi)三、木衛(wèi)四）的微隕石或火山物質(zhì)輸運到木星大氣高層，其中包含的硫、磷等元素在特定條件下發(fā)生化學反應(yīng)形成紅色塵?；驓怏w；木星內(nèi)部深處釋放出的未知化學物質(zhì)上升到大氣高層參與反應(yīng)。這些成分在大紅斑特定的高空大氣環(huán)境和湍流混合作用下被穩(wěn)定地維持和富集。三、5.木星大紅斑與地球超級細胞雷暴的主要差異在于：能量機制上，大紅斑主要由木星強大的整體大氣環(huán)流和持續(xù)的潮汐加熱提供能量，而超級細胞雷暴主要依賴近地大氣中水汽的潛熱釋放；動力學結(jié)構(gòu)上，大紅斑是持續(xù)存在了數(shù)百年的穩(wěn)定反氣旋核心，風速極高但結(jié)構(gòu)相對單一，而超級細胞雷暴是短暫的、具有復(fù)雜垂直結(jié)構(gòu)的對流系統(tǒng)；尺度上，大紅斑巨大無比，而超級細胞雷暴相對較小。這些差異表明，大紅斑的形成和維持機制可能涉及更宏觀的大氣環(huán)流和內(nèi)部熱源，而超級細胞雷暴更典型地反映了行星大氣中局地能量釋放和組織的過程。6.潮汐加熱通過木星質(zhì)量對其施加的周期性引力作用，在木星大氣（包括可能覆蓋在海洋上方的厚冰層）內(nèi)部產(chǎn)生形變和內(nèi)部摩擦，將引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能。這種熱量主要集中在大紅斑區(qū)域的上層大氣，加熱了那里的空氣，使其上升，導(dǎo)致該區(qū)域整體氣壓降低，形成一個巨大的低壓反氣旋。同時，加熱也加劇了大紅斑內(nèi)部及其周邊區(qū)域的垂直混合和大氣環(huán)流，有助于維持其穩(wěn)定性和巨大尺寸。面臨的挑戰(zhàn)在于精確量化潮汐加熱的貢獻，以及解釋為何潮汐加熱主要集中在大紅斑區(qū)域而非其他地方，以及其他能量機制（如大氣環(huán)流的動能維持）的作用程度。四、7.歐洲快船任務(wù)的主要科學目標包括：利用多種探測儀器（如雷達、磁力計、光譜儀等）繪制木衛(wèi)二冰殼的高分辨率三維地圖，精確測定冰殼厚度和地下海洋的體積；探測和測量水噴流的羽流成分，直接分析來自地下海洋的樣本，評估其化學組成和潛在的生命跡象；測量木衛(wèi)二內(nèi)部的電導(dǎo)率和熱流，以推斷地下海洋的存在、規(guī)模和活動狀態(tài)；研究木衛(wèi)二的表面地質(zhì)活動歷史和冰殼動力學過程；探索木衛(wèi)二與木星磁場的相互作用，進一步約束地下海洋的存在。在探索宜居性方面，關(guān)鍵觀測策略集中在直接或間接探測液態(tài)水的存在、評估水的化學成分（如鹽度、氧化還原狀態(tài)、是否存在生命必需的元素和能量來源）、分析表面環(huán)境對潛在生命的保護或限制作用。8.評估木衛(wèi)二海洋宜居性的主要科學指標包括：是否存在液態(tài)水的全球性或區(qū)域性分布（通過地質(zhì)、雷達、熱流數(shù)據(jù)推斷）；水體規(guī)模和深度是否足以維持生命；水的化學成分是否滿足生命所需（如合適的pH值、鹽度、溫度范圍，以及碳、氫、氮、氧、磷、硫等元素的存在）；是否存在足夠的能量來源（如化學能、潮汐加熱、太陽輻射能）；是否存在生命存在的保護層（如厚冰殼、磁場屏蔽）；水體是否與表面或內(nèi)部巖石圈發(fā)生足夠的物質(zhì)和能量交換。當前觀測數(shù)據(jù)在證實地下海洋液態(tài)水存在方面提供了強有力證據(jù)，但在水體確切規(guī)模、深度、溫度、化學成分細節(jié)以及是否存在生命必需的穩(wěn)定能量來源和元素組合方面，仍存在許多不確定性，需要未來探測任務(wù)提供更直接的數(shù)據(jù)。五、9.快速碰撞模型認為大紅斑是在木星早期歷史上，由一個足夠大的天體（可能是小行星或彗星）高速撞擊木星大氣層頂部，拋射出的物質(zhì)在高層大氣中因科里奧利力作用和化學反應(yīng)而聚集形成的。該模型預(yù)測應(yīng)存在撞擊事件相關(guān)的證據(jù)（如特定元素或同位素異常），且大紅斑可能相對“年輕”。緩慢增長模型則認為大紅斑是木星大氣中早已存在的巨大反氣旋風暴，在漫長的歲月中通過不斷吸引和消耗周圍大氣物質(zhì)而逐漸增長和穩(wěn)定下來。該模型預(yù)測大紅斑的成分應(yīng)與木星大氣主體相似，且其形成可能經(jīng)歷了多個階段的演化。支持快速碰撞模型的關(guān)鍵證據(jù)是找到與木星大氣成分顯著不同的物質(zhì)成分異常；支持緩慢增長模型的關(guān)鍵證據(jù)是大紅斑成分與木星大氣一致，且其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性符合長期存在的反氣旋特征。目前，科學界尚無決定性證據(jù)能夠完全支持或否定其中任何一種主要理論，兩者各有支持者和挑戰(zhàn)。10.木衛(wèi)二的研究揭示了冰殼下可能存在廣闊、液態(tài)、與巖石圈活躍互動的海洋，為研究行星內(nèi)部地質(zhì)活動、水體演化和潛在生命起源提供了獨特窗口，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)上認為生命只能誕生于巖石行星表面的觀念。木星大紅斑則作為一個持續(xù)了數(shù)百年的巨大反氣旋風暴，其形成和維持