2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——太陽系外行星冰消融速率研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述影響太陽系外行星表面冰消融速率的主要因素，并說明其中幾個關(guān)鍵因素的物理機制。二、解釋什么是行星的能量平衡。以一顆接受恒定恒星輻射的行星為例，推導(dǎo)其地表接收到的有效輻射（BalanceTemperature）的表達(dá)式（無需推導(dǎo)太陽常數(shù)等具體參數(shù)），并說明其中各項的物理意義。三、溫室效應(yīng)如何影響行星的表面溫度和冰的穩(wěn)定性？請詳細(xì)說明水汽、二氧化碳和甲烷等典型溫室氣體在冰消融過程中的作用機制。四、假設(shè)一顆與地球大小和質(zhì)量相似、但表面完全被厚冰覆蓋的行星，位于一個距離其恒星的距離使得該恒星在行星軌道平面上方時，其直接輻射能夠恰好使行星冰蓋的年平均平衡溫度達(dá)到0攝氏度。如果該行星具有一個能夠有效捕獲并循環(huán)水蒸氣的大氣層（但大氣本身不產(chǎn)生顯著的溫室效應(yīng)），請分析以下情況對該行星冰蓋穩(wěn)定性可能產(chǎn)生的影響：1.行星軌道偏心率增大。2.恒星有效溫度略微升高。3.大氣中水蒸氣循環(huán)效率降低。五、太陽系中的木衛(wèi)二（Europa）和土衛(wèi)二（Enceladus）都被認(rèn)為擁有在冰殼下液態(tài)水的海洋。盡管它們都受到母星的強烈輻射加熱，但它們的冰消融機制和速率可能存在顯著差異。請分析造成這種差異的主要因素可能有哪些，并簡要說明。六、簡述利用系外行星凌日（Transit）觀測數(shù)據(jù)來研究其潛在冰蓋或冰雪大氣層的方法原理?？赡塬@得哪些信息？面臨哪些主要的挑戰(zhàn)和限制？七、計算題。假設(shè)一顆類地行星位于一個距離其恒星的距離使得該恒星在其天頂方向的峰值單色輻射功率（在行星大氣外）為1000W/m2，該行星與恒星之間的平均距離為1AU。忽略行星大氣對輻射的吸收和散射，且行星表面具有對可見光和紅外輻射均勻的反射率（即Bond反射率為0.3）。請估算該行星的平衡溫度（有效溫度）是多少開爾文？（可以使用斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)σ=5.67×10??Wm?2K??和光年距離常數(shù)1AU=1.496×1011m進(jìn)行計算）。試卷答案一、主要因素包括：入射恒星輻射強度、行星與恒星的距離、行星表面和大氣對輻射的吸收率與反射率（即反照率）、大氣成分（特別是溫室氣體含量）、表面特性（如冰的導(dǎo)熱性、表面粗糙度）、是否有內(nèi)部熱源等。*解析思路：此題考查對影響冰消融速率基本驅(qū)動因素的理解。需要列出主要影響因素，并選擇其中幾個進(jìn)行簡要的物理機制說明。例如，恒星輻射是能量來源，距離決定輻射強度；反照率影響表面吸收熱量多少；溫室氣體吸收紅外輻射，提高表面溫度；冰的導(dǎo)熱性影響熱量傳遞效率等。二、能量平衡是指一個行星系統(tǒng)（包括大氣和表面）在單位時間內(nèi)接收的凈能量（來自恒星）等于其向外空間散發(fā)的能量。行星達(dá)到輻射收支平衡時，其表面溫度（或更準(zhǔn)確地說是發(fā)射到外太空的輻射功率）達(dá)到一個穩(wěn)定值，稱為平衡溫度。推導(dǎo)表達(dá)式：恒星輻射到達(dá)行星頂層的功率F_in=S*(1-A)/4，其中S為太陽常數(shù)，A為行星的Bond反照率。行星向空間的總輻射功率F_out=σ*T_eff?，其中σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，T_eff為行星的有效溫度（平衡溫度）。在能量平衡狀態(tài)下，F(xiàn)_in=F_out。因此，T_eff=[(S*(1-A)/4)/σ]^(1/4)。各項物理意義：*S*(1-A)/4：單位時間內(nèi)到達(dá)單位面積行星外表面的凈太陽輻射功率。*σ：斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，表征物體溫度與其發(fā)射功率之間的關(guān)系。*T_eff?：與行星向空間總輻射功率成正比，代表了行星達(dá)到能量平衡時的平均發(fā)射能力，即有效溫度。*解析思路：此題考查能量平衡模型的基本概念和推導(dǎo)能力。需要首先定義能量平衡，然后針對接受恒定恒星輻射的簡化模型進(jìn)行推導(dǎo)，給出平衡溫度表達(dá)式，并解釋式中各物理量的含義。推導(dǎo)過程不需要涉及大氣細(xì)節(jié)，僅考慮頂層的輻射收支。三、溫室效應(yīng)是指大氣層中的某些氣體（溫室氣體）能夠吸收地球表面發(fā)出的紅外輻射，并重新輻射回地表及大氣中，從而導(dǎo)致地表溫度升高的現(xiàn)象。作用機制：*水汽：地表蒸發(fā)的水汽上升到大氣中，吸收并重新輻射紅外線，向地表回送熱量，增強溫室效應(yīng)。*二氧化碳：CO?在近紅外波段有強烈的吸收譜線，能有效吸收地表紅外輻射并向下輻射，顯著提高地表溫度。*甲烷：CH?的濃度雖然遠(yuǎn)低于CO?，但在特定的紅外波段有強吸收能力，其單位分子數(shù)的溫室效應(yīng)能力遠(yuǎn)超CO?，對溫室效應(yīng)有重要貢獻(xiàn)。溫室效應(yīng)導(dǎo)致行星表面溫度高于僅由恒星輻射和反照率決定的平衡溫度，使得行星表面能夠維持液態(tài)水，從而有利于冰的存在或消融。增加溫室氣體濃度會增強溫室效應(yīng)，提高表面溫度，加速冰的消融。*解析思路：此題考查溫室效應(yīng)的概念及其對冰消融的影響。需要解釋溫室效應(yīng)的基本原理，并分別說明水汽、CO?、CH?等典型溫室氣體的作用機制，最后總結(jié)溫室效應(yīng)對冰蓋穩(wěn)定性的總體影響。四、1.行星軌道偏心率增大：雖然平均接收到的恒星輻射不變，但在近日點時接收到的瞬時輻射強度會顯著增加，導(dǎo)致地表溫度升高，加速冰蓋消融；在遠(yuǎn)日點時則相反。平均效果是溫度波動增大，可能導(dǎo)致冰蓋在某些區(qū)域融化加劇，但在其他區(qū)域則可能凍結(jié)更強，整體穩(wěn)定性可能下降。2.恒星有效溫度略微升高：恒星輻射的總能量增加，導(dǎo)致行星接收到的凈輻射增加，平衡溫度升高。這會直接導(dǎo)致行星表面更溫暖，冰蓋消融速率加快，降低冰蓋的穩(wěn)定性。3.大氣中水蒸氣循環(huán)效率降低：水蒸氣循環(huán)效率降低意味著大氣中的水汽總量可能減少，或者水汽從表面向大氣的輸送減慢。這會削弱大氣的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致行星表面溫度略微下降。溫度下降將減緩冰蓋的消融速率，可能增加冰蓋的穩(wěn)定性。*解析思路：此題考查特定參數(shù)變化對冰蓋穩(wěn)定性的影響分析能力。需要結(jié)合能量平衡和大氣過程的知識，分析軌道參數(shù)、恒星參數(shù)和大氣過程變化如何通過影響能量收支或溫室效應(yīng)來改變冰的消融速率和穩(wěn)定性。五、主要差異因素可能包括：1.母星輻射特性：不同恒星的溫度、光譜類型、輻射強度和穩(wěn)定性不同，直接影響行星的能量輸入。2.行星內(nèi)部熱源：木衛(wèi)二和土衛(wèi)二都被認(rèn)為擁有顯著的內(nèi)部熱源（如放射性元素衰變、軌道共振潮汐加熱），這是維持其冰下海洋液態(tài)和表面冰活動的重要能量來源，但其內(nèi)部熱流的強度和分布可能不同。3.冰殼物理性質(zhì)：兩個冰殼的厚度、密度、孔隙率、導(dǎo)熱性可能存在差異，影響熱量從內(nèi)部傳遞到表面的效率。4.大氣層特性：兩個天體可能擁有不同密度、成分和動力學(xué)特征的大氣層（或冰火山噴發(fā)物），它們對來自恒星的輻射的散射、吸收以及熱量在冰殼中的分布有顯著影響。5.冰蓋與海洋的相互作用：冰殼與下方液態(tài)海洋之間的物理和化學(xué)過程（如冰的侵蝕、沉積、底部融化）也會影響冰殼的形態(tài)和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響冰的消融。*解析思路：此題考查比較不同天體冰消融機制差異的能力。需要識別影響冰消融的關(guān)鍵因素，并針對木衛(wèi)二和土衛(wèi)二這兩個具有代表性的案例，分析它們在母星輻射、內(nèi)部熱源、冰殼物理、大氣作用等方面的可能差異，這些差異如何導(dǎo)致它們冰消融機制的不同。六、利用凌日觀測研究潛在冰蓋的方法原理：當(dāng)系外行星穿過其母恒星盤面時，會遮擋一部分恒星光芒，導(dǎo)致行星凌日。如果行星表面存在冰蓋或冰雪大氣層，其反照率通常較高（尤其是對可見光），在凌日期間會導(dǎo)致行星盤面亮度下降幅度更大（即更大的減暗幅度或更深的凌日曲線）。通過分析凌日曲線的光度變化形狀（深度、寬度、對稱性）、顏色信息（如果光譜數(shù)據(jù)可用）或?qū)α枞展庾V的精細(xì)測量，可以推斷行星表面或低層大氣的反照率、透明度、大氣成分（如水汽、云層）、冰蓋的存在與否及其覆蓋程度等信息。面臨的挑戰(zhàn)和限制：*信號微弱：行星亮度遠(yuǎn)低于恒星，信號相對較弱，需要高精度望遠(yuǎn)鏡。*分辨率限制：當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡的分辨率通常不足以直接分辨行星表面細(xì)節(jié)，難以明確區(qū)分冰蓋和海洋。*大氣混淆：行星大氣（或噴發(fā)物）的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)會對凌日信號產(chǎn)生復(fù)雜影響，難以完全剝離大氣效應(yīng)以獲得表面信息。*幾何效應(yīng)：行星軌道傾角、偏心率等會影響凌日深度和形狀，需要精確的軌道參數(shù)。*冰蓋不確定性：凌日觀測主要提供反照率信息，難以精確確定冰蓋的厚度、年齡、形態(tài)等。*解析思路：此題考查利用凌日觀測研究系外行星冰蓋的基本原理和方法。需要解釋凌日現(xiàn)象及其與行星反照率的關(guān)系，說明如何通過觀測數(shù)據(jù)（光度變化、光譜）來獲取信息，并列舉當(dāng)前研究面臨的主要困難和限制。七、估算過程：1.計算單位面積、單位時間內(nèi)到達(dá)行星外表面的凈太陽輻射功率：F_in=S*(1-A)/4=1000W/m2*(1-0.3)/4=175W/m22.根據(jù)能量平衡，此凈輻射功率等于行星向空間散發(fā)的總輻射功率：F_out=F_in=175W/m23.利用斯特藩-玻爾茲曼定律，行星向空間散發(fā)的總輻射功率與有效溫度的四次方成正比：F_out=σ*T_eff?4.代入數(shù)值求解T_eff：175=5.67×10??*T_eff?T_eff?=175/(5.67×10??)≈3.09×10?T_eff=(3.09×10?)^(1/4)≈2