2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——光譜探測(cè)技術(shù)在行星科學(xué)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.在可見光和近紅外波段，下列哪種礦物吸收特征最強(qiáng)，最常用于地表成分遙感？A.輝石B.橄欖石C.長(zhǎng)石D.水合物2.光譜儀的核心功能是將入射的復(fù)色光分解為不同波長(zhǎng)的單色光，這一過程稱為？A.吸收B.色散C.發(fā)射D.散射3.以下哪種光譜技術(shù)主要依賴于測(cè)量物體自身發(fā)射的熱輻射？A.吸收光譜法B.反射光譜法C.熱紅外光譜法D.散射光譜法4.伽馬射線光譜儀在行星科學(xué)中主要用于探測(cè)？A.行星表面的元素組成B.行星大氣的氣體成分C.行星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)密度D.行星表面的有機(jī)分子5.傅里葉變換光譜儀（FTS）相比于傳統(tǒng)光柵光譜儀的主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.分辨率更高B.光譜范圍更寬C.成本更低廉D.探測(cè)速度更快6.行星大氣的吸收光譜中，水汽、二氧化碳和甲烷等主要成分的吸收特征主要分布在哪個(gè)波段？A.可見光波段B.紫外波段C.中紅外波段D.遠(yuǎn)紅外波段7.“旅行者”號(hào)探測(cè)器拍攝的金星云頂彩色圖像，其顏色主要是由什么引起的？A.大氣成分不同B.光譜儀濾光片選擇C.地球大氣散射D.探測(cè)器成像系統(tǒng)偏差8.在行星光譜數(shù)據(jù)解混過程中，如果只考慮兩種成分混合，且已知它們的純譜，那么可以通過求解以下哪個(gè)方程組來確定混合比例？A.線性方程組B.微分方程組C.積分方程組D.代數(shù)方程組9.遙感光譜測(cè)量中，大氣對(duì)電磁波的吸收和散射會(huì)造成光譜失真，以下哪種技術(shù)可以有效校正大氣影響？A.內(nèi)標(biāo)定法B.外標(biāo)定法C.反演算法D.多光譜合成10.空間望遠(yuǎn)鏡（如哈勃和韋伯）相比于地面望遠(yuǎn)鏡在獲取高分辨率行星光譜數(shù)據(jù)方面的主要優(yōu)勢(shì)是？A.光譜儀精度更高B.可觀測(cè)紫外波段C.避免了大氣干擾D.成本更低二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.光譜是表示物質(zhì)______隨波長(zhǎng)（或頻率）變化的函數(shù)關(guān)系。2.光柵光譜儀利用光柵的______原理實(shí)現(xiàn)光的色散。3.紅外光譜技術(shù)根據(jù)物質(zhì)分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷來探測(cè)______。4.空間分辨率是指光譜圖像上能夠分辨的最小______尺寸。5.恒星光譜分類主要依據(jù)其光譜中的______和色指數(shù)。6.遙感光譜數(shù)據(jù)中，地物反射率是指地物表面反射的輻射功率與______之比。7.傅里葉變換光譜儀通過測(cè)量______隨時(shí)間（或空間相位）變化的干涉圖來獲得光譜信息。8.利用光譜技術(shù)探測(cè)系外行星大氣中的水蒸氣，通常采用______光譜法。9.行星表面熱紅外光譜可以反演地物的______和熱慣量等物理參數(shù)。10.光譜定標(biāo)是指將光譜儀測(cè)量的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為______的過程。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述棱鏡光譜儀和光柵光譜儀的工作原理及主要區(qū)別。2.簡(jiǎn)述利用光譜技術(shù)探測(cè)行星表面水冰的基本原理和方法。3.簡(jiǎn)述大氣窗口的概念及其在行星遙感光譜觀測(cè)中的重要性。4.簡(jiǎn)述成像光譜技術(shù)相比于多光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述光譜探測(cè)技術(shù)在尋找系外類地行星宜居帶內(nèi)行星大氣生物標(biāo)記物方面的潛力和挑戰(zhàn)。2.以一個(gè)具體的行星探測(cè)任務(wù)（如“好奇號(hào)”火星車或“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)器）為例，論述其搭載的光譜儀如何幫助科學(xué)家研究行星表面或大氣的成分與演化。3.探討光譜探測(cè)技術(shù)在未來深空探測(cè)任務(wù)（如木星系或系外行星系探測(cè)）中可能面臨的技術(shù)難題和未來發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.A5.A6.C7.B8.A9.C10.C二、填空題1.物理量2.光的衍射3.化學(xué)鍵4.徑向5.光譜特征6.入射到地物的太陽輻射功率7.頻率（或相位）8.吸收9.溫度10.物理量（如輻射亮度或反射率）三、簡(jiǎn)答題1.棱鏡光譜儀利用不同波長(zhǎng)的光在棱鏡介質(zhì)中折射率不同而發(fā)生的色散效應(yīng)，將復(fù)色光分解成光譜。其原理基于光的折射定律。光柵光譜儀利用光柵的衍射效應(yīng)，使不同波長(zhǎng)的光在不同方向上衍射，從而實(shí)現(xiàn)色散。其原理基于光的衍射定律。主要區(qū)別在于：棱鏡光譜儀色散率隨波長(zhǎng)變化較大，且通常只產(chǎn)生一級(jí)光譜，色散率相對(duì)較低；光柵光譜儀色散率在較寬波段內(nèi)相對(duì)均勻，可產(chǎn)生多級(jí)光譜，色散率通常更高。2.利用光譜技術(shù)探測(cè)行星表面水冰，主要基于水冰在中紅外波段（特別是~1.4μm,~1.9μm,~2.0μm附近）具有強(qiáng)烈的吸收特征?；驹硎牵寒?dāng)來自恒星的光經(jīng)過行星大氣到達(dá)地表，并被水冰覆蓋或構(gòu)成的表面反射/散射回來時(shí)，光譜在這些特定波長(zhǎng)處會(huì)顯示出明顯的吸收凹陷。方法包括：使用中紅外光譜儀（如熱紅外光譜儀或傅里葉變換紅外光譜儀）獲取行星表面的反射光譜；通過分析光譜中是否存在這些特征吸收凹陷，以及吸收的深度和寬度，可以判斷表面是否存在水冰，并估計(jì)水冰的豐度或覆蓋程度。同時(shí)，需要考慮大氣水汽的影響，通常選擇水汽吸收較弱或在特定條件下（如高緯度冬季）水汽含量較低的波段進(jìn)行分析。3.大氣窗口是指大氣對(duì)電磁波吸收和散射作用較弱、允許電磁波穿透?jìng)鞑サ奶囟úㄩL(zhǎng)范圍。重要性在于：行星表面及其附近空間的信息（如溫度、成分、云層、地表特征等）通過電磁波輻射到太空中，只有穿過大氣窗口的輻射才能被空間探測(cè)器接收到。因此，選擇合適的大氣窗口是進(jìn)行行星遙感觀測(cè)的前提。不同大氣窗口對(duì)應(yīng)不同的觀測(cè)目標(biāo)和波段，例如可見光/紫外窗口主要用于觀測(cè)云層、氣溶膠和某些大氣成分；紅外窗口則用于測(cè)量大氣溫度結(jié)構(gòu)、探測(cè)地表和大氣成分（如水汽、二氧化碳、甲烷）；微波窗口則可以穿透云層，用于測(cè)量大氣水汽總量、溫度廓線以及雷達(dá)探測(cè)地表形貌。利用大氣窗口進(jìn)行觀測(cè)，可以最大限度地減少大氣干擾，獲取清晰、準(zhǔn)確的行星信息。4.成像光譜技術(shù)相比于多光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：成像光譜技術(shù)能夠同時(shí)獲取空間信息和光譜信息，即得到一個(gè)三維數(shù)據(jù)立方體（每個(gè)像素都有完整的光譜信息），而多光譜技術(shù)只能獲取有限幾個(gè)波段的空間圖像。具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：*更高的光譜分辨率：成像光譜儀通常包含數(shù)百個(gè)光譜通道，提供比多光譜儀（通常只有幾個(gè)波段）高得多的光譜分辨率，能夠更精確地區(qū)分光譜相似的物質(zhì)，識(shí)別更復(fù)雜的成分。*更精細(xì)的光譜結(jié)構(gòu)：高光譜分辨率可以捕捉到更精細(xì)的譜線結(jié)構(gòu)，這對(duì)于成分定性和定量分析至關(guān)重要。*更豐富的信息內(nèi)容：三維數(shù)據(jù)立方體提供了比二維多光譜圖像更豐富的信息維度，為數(shù)據(jù)挖掘和復(fù)雜地物解譯提供了更多可能。*潛在的空間-光譜聯(lián)合分析：可以結(jié)合空間信息進(jìn)行更精細(xì)的制圖和分析。四、論述題1.光譜探測(cè)技術(shù)在尋找系外類地行星宜居帶內(nèi)行星大氣生物標(biāo)記物方面具有巨大潛力，但也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。潛力：*探測(cè)生物分子特征：地球生物活動(dòng)釋放的氣體（如氧氣O?、甲烷CH?）在紅外和微波波段具有獨(dú)特的吸收譜線。通過高分辨率光譜儀（如JWST）在系外行星大氣中搜索這些特征譜線，是尋找生物標(biāo)記物的核心方法。例如，理論上，O?和CH?共存（特別是與強(qiáng)吸收的二氧化碳CO?對(duì)比）可以指示光合作用或化能合成作用的存在。*分析大氣化學(xué)成分：光譜技術(shù)可以探測(cè)大氣中的多種痕量氣體（如水蒸氣H?O、二氧化碳CO?、氮?dú)釴?、氨NH?、硫化物等），構(gòu)建大氣化學(xué)模型，了解大氣循環(huán)和形成演化過程，為判斷行星宜居性提供依據(jù)。*評(píng)估大氣保護(hù)層：探測(cè)系外行星大氣中的臭氧O?等紫外線吸收成分，可以判斷該行星是否存在像地球臭氧層一樣能夠阻擋有害紫外線的保護(hù)層，這是評(píng)估宜居性的重要指標(biāo)。*研究大氣云層和結(jié)構(gòu)：光譜信息有助于了解大氣云層的高度、成分和分布，進(jìn)而研究大氣動(dòng)力學(xué)和能量平衡。挑戰(zhàn)：*光譜信號(hào)極其微弱：系外行星大氣相對(duì)于其宿主恒星的光來說非常暗淡，信號(hào)極其微弱，需要極高分辨率和靈敏度的光譜儀才能探測(cè)。*強(qiáng)星光暈干擾：來自宿主恒星的強(qiáng)光會(huì)形成光暈，淹沒行星大氣微弱的光譜信號(hào)，需要復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行校正。*大氣混合比未知：我們無法直接測(cè)量系外行星大氣的成分和混合比，只能通過統(tǒng)計(jì)方法排除純粹由物理過程（如火山活動(dòng)、行星旋轉(zhuǎn)）產(chǎn)生的光譜信號(hào)，從而推斷可能存在的生物信號(hào)。*假信號(hào)與確認(rèn)困難：由物理過程產(chǎn)生的光譜特征可能與生物標(biāo)記物相似，容易產(chǎn)生假陽性結(jié)果。一個(gè)疑似生物標(biāo)記物的信號(hào)需要通過多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡、多種觀測(cè)方法、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)進(jìn)行交叉驗(yàn)證才能確認(rèn)。*宜居帶行星普遍不存在云層：許多宜居帶類地行星可能被厚厚的云層覆蓋，云層會(huì)吸收或散射紅外輻射，使得地表真實(shí)溫度和成分難以通過光譜直接探測(cè)，增加了分析的復(fù)雜性。2.以“好奇號(hào)”火星車為例，其搭載的光譜探測(cè)技術(shù)極大地推動(dòng)了我們對(duì)火星表面成分、環(huán)境演化及生命潛在跡象的研究?！昂闷嫣?hào)”主要光譜儀及其應(yīng)用：*ChemCam(化學(xué)相機(jī))：集成一個(gè)激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）和一個(gè)遠(yuǎn)程微聚焦光譜儀（RMI）。應(yīng)用：ChemCam通過發(fā)射激光燒蝕火星巖石或土壤，分析產(chǎn)生的火花光譜來識(shí)別成分，無需接觸表面。它可以在數(shù)公里外對(duì)目標(biāo)進(jìn)行化學(xué)分析，幫助選擇探測(cè)目標(biāo)，并繪制了蓋爾撞擊坑區(qū)域的元素分布圖，發(fā)現(xiàn)了豐富的硅酸鹽、碳酸鹽以及有機(jī)分子（如氯代甲烷）的證據(jù)，暗示了火星過去可能存在更宜居的環(huán)境。RMI則提供了高分辨率的地物反射光譜，用于精確識(shí)別礦物相。*SAM(樣本分析儀器)：包含三個(gè)主要組件：質(zhì)譜儀（MS）、氣體分析儀（GA）和紅外光譜儀（IR）。應(yīng)用：SAM可以對(duì)采集的火星樣本（巖石粉末、土壤）進(jìn)行加熱、沖刷和分析。質(zhì)譜儀用于精確測(cè)定揮發(fā)性氣體（水、二氧化碳、甲烷等）和有機(jī)分子的組成與豐度。紅外光譜儀用于識(shí)別礦物和復(fù)雜的有機(jī)分子。SAM的分析結(jié)果表明火星過去存在液態(tài)水，大氣中曾含有甲烷，并發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的有機(jī)化合物，為火星生命史研究提供了關(guān)鍵信息。*CheMin(化學(xué)成分成像儀)：利用X射線衍射（XRD）技術(shù)。應(yīng)用：CheMin對(duì)火星土壤和巖石樣品進(jìn)行X射線衍射，能夠非常精確地確定粉末樣品中的礦物相組成和結(jié)晶度。它繪制了蓋爾撞擊坑底部沉積物的礦物分布圖，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由粘土礦物、硫酸鹽和氧化鐵組成的礦物組合，這表明火星過去的環(huán)境經(jīng)歷了從酸性到堿性、從氧化到還原的復(fù)雜變化，并且存在長(zhǎng)期的水與風(fēng)化作用。*CRISM(高分辨率成像光譜儀)：作為火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）上的一個(gè)儀器，對(duì)火星表面進(jìn)行成像光譜觀測(cè)。應(yīng)用：CRISM提供了全火星尺度的礦物ogran（礦物組合）制圖。通過分析可見光和近紅外波段的光譜特征，它可以識(shí)別出火星表面的多種礦物，如含水礦物（粘土、硫酸鹽）、氧化物和硫化物等。這些礦物分布圖揭示了火星不同區(qū)域的古氣候和水活動(dòng)歷史，例如通過識(shí)別古代三角洲和湖泊沉積物中的含水礦物，證明了火星過去廣泛存在液態(tài)水?？偨Y(jié)：“好奇號(hào)”及其光譜儀通過直接接觸和遙感探測(cè)相結(jié)合的方式，提供了關(guān)于火星表面巖石、土壤和大氣成分的豐富信息，揭示了火星地質(zhì)歷史、氣候變遷以及潛在宜居環(huán)境的演變過程，為理解火星的宜居性以及生命存在的可能性提供了強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。3.光譜探測(cè)技術(shù)在未來深空探測(cè)任務(wù)中扮演著核心角色，但也面臨諸多技術(shù)難題，發(fā)展方向廣闊?？赡苊媾R的技術(shù)難題：*探測(cè)靈敏度與信噪比：對(duì)于距離遙遠(yuǎn)、信號(hào)微弱的行星和系外行星，需要更高靈敏度和更高信噪比的光譜儀，這對(duì)探測(cè)器、光譜器件（如探測(cè)器、光學(xué)元件）和望遠(yuǎn)鏡口徑提出了更高要求。*光譜分辨率與覆蓋范圍：高光譜分辨率對(duì)于精細(xì)成分分析至關(guān)重要，但往往犧牲了光譜覆蓋范圍或觀測(cè)速度。未來任務(wù)需要在兩者之間取得平衡，以滿足不同科學(xué)目標(biāo)的需求。*極端環(huán)境適應(yīng)性：深空探測(cè)任務(wù)可能面臨極端溫度、輻射、振動(dòng)等環(huán)境條件，要求光譜儀具有高可靠性和穩(wěn)定性，并具備良好的抗輻射設(shè)計(jì)和環(huán)境適應(yīng)性。*數(shù)據(jù)處理能力：高光譜數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和地面處理能力提出了巨大挑戰(zhàn)。需要發(fā)展更高效的數(shù)據(jù)壓縮、處理和反演算法。*儀器小型化與輕量化：未來的深空任務(wù)（特別是小型衛(wèi)星、飛梭任務(wù)）對(duì)儀器尺寸和重量有嚴(yán)格限制，需要在保證性能的前提下，實(shí)現(xiàn)光譜儀的小型化和輕量化。*復(fù)雜大氣校正：對(duì)于需要穿透行星大氣的觀測(cè)，大氣模型和校正算法需要不斷改進(jìn)，以更準(zhǔn)確地獲取地表真實(shí)信息。*定標(biāo)與標(biāo)定：在深空環(huán)境下，光譜儀的定標(biāo)和標(biāo)定是一個(gè)持續(xù)性的難題，需要發(fā)展新的定標(biāo)方法和策略，確保光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性。未來發(fā)展方向：*更高性能的光譜儀：發(fā)展基于新型光學(xué)元件（如超構(gòu)表面）、探測(cè)器（如高性能CCD/CMOS、紅外探測(cè)器）和光譜技術(shù)（如高分辨率傅里葉變換光譜