2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地球大氣電磁活動(dòng)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.大氣中主要的自然電荷產(chǎn)生機(jī)制之一是大氣中的放射性核素（如^40K）的衰變，這個(gè)過程主要產(chǎn)生？A.正離子和負(fù)離子B.僅正離子C.僅負(fù)離子D.電子和離子2.全球大氣電場（GAEC）中，連接熱帶電離層（約200km）與赤道地區(qū)地表的電位差大約是多少？A.100伏特B.1000伏特C.10萬伏特D.100萬伏特3.大氣電離層中，通常被稱為“電離層頂”或反射高頻無線電波的主要區(qū)域是？A.D層B.E層C.F層D.G層4.在全球大氣電場模型中，被稱為“尖端放電層”的是？A.赤道電離層B.極區(qū)電離層C.地表D.全球均勻分布5.極光主要發(fā)生在地球磁場的哪個(gè)區(qū)域？A.赤道附近B.低緯度地區(qū)C.極地附近D.中緯度地區(qū)6.大氣中持續(xù)時(shí)間最短、頻率最高的放電現(xiàn)象是？A.云閃B.地閃C.藍(lán)閃D.虹閃7.能夠產(chǎn)生極低頻（VLF，3-30kHz）電磁輻射的地球物理現(xiàn)象主要是？A.大氣中的靜電積累B.雷電放電C.極區(qū)電離層騷擾D.全球大氣電場的緩慢變化8.用于探測電離層電子密度垂直分布和總電子含量的主要技術(shù)是？A.VLF接收機(jī)B.超視距雷達(dá)（OTH）C.全球定位系統(tǒng)（GPS）/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）D.磁力計(jì)9.在大氣電磁學(xué)中，"場致流"（FieldAlignedCurrent,FAC）通常指的是？A.沿磁力線流動(dòng)的電流B.垂直于磁力線流動(dòng)的電流C.沿電場線流動(dòng)的電流D.地表與電離層之間的電流10.大氣電磁活動(dòng)對地球物理研究的主要貢獻(xiàn)之一是？A.直接導(dǎo)致全球氣候變化B.為研究電離層和磁層耦合提供關(guān)鍵信息C.產(chǎn)生可聽聲波用于導(dǎo)航D.影響地表重力場二、填空題1.大氣電導(dǎo)率隨高度變化，通常在__________附近達(dá)到最小值，在電離層處顯著增加。2.全球大氣電場模型中，極區(qū)的高電導(dǎo)率區(qū)域被稱為__________。3.極光現(xiàn)象是地球磁層、電離層和中性大氣__________相互作用的直接表現(xiàn)。4.雷電放電過程中，主放電通道中電流上升的速度可達(dá)每秒__________千安培。5.觀測到的全球大氣電場總電流的大小約為__________安培。6.電離層對無線電波的傳播具有__________作用，使得無線電波可以被遠(yuǎn)距離傳輸。7.利用雷電流產(chǎn)生的VLF脈沖信號(hào)進(jìn)行定位的技術(shù)稱為__________。8.大氣電磁學(xué)研究中，__________層是產(chǎn)生極光和接收太陽宇宙射線的重要區(qū)域。9.極區(qū)亞暴期間，伴隨磁暴和電離層騷擾，通常會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的__________（一種VLF/ULF電磁脈沖）。10.大氣電磁現(xiàn)象，特別是雷電活動(dòng)，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如GPS）的信號(hào)傳播和接收會(huì)產(chǎn)生__________效應(yīng)。三、簡答題1.簡述全球大氣電場（GAEC）的基本結(jié)構(gòu)，包括主要組成部分及其空間分布特征。2.簡要說明極光是如何產(chǎn)生的，并列舉至少兩種主要的極光觀測手段。3.描述大氣中閃電放電的基本過程，并說明閃電產(chǎn)生的VLF/ULF信號(hào)有哪些特點(diǎn)。4.解釋什么是電離層騷擾，并簡述其可能對無線電通信造成的主要影響。四、計(jì)算題1.已知某地大氣電導(dǎo)率隨高度的分布近似為σ(h)=σ?*exp(-h/H)，其中σ?=2x10?1?S/m，H=10km。假設(shè)地表電場強(qiáng)度E?=100V/m。請估算該地電離層（假設(shè)高度h=100km）處的電場強(qiáng)度。(忽略尖端放電效應(yīng))2.假設(shè)一次閃電事件產(chǎn)生的峰值電流I_peak=30kA，主放電通道長度L=10km。如果該放電過程近似為指數(shù)衰減，時(shí)間常數(shù)τ=10μs。請計(jì)算該閃電過程產(chǎn)生的最大時(shí)變電流率（dI/dt）max。五、論述題結(jié)合大氣電磁活動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，論述其作為一種自然現(xiàn)象，在地球物理學(xué)研究中具有哪些重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。試卷答案一、選擇題1.A2.C3.C4.C5.C6.C7.B8.C9.A10.B二、填空題1.電離層頂（約100km）2.極區(qū)電導(dǎo)率層3.物理過程4.305.50006.反射7.閃電定位系統(tǒng)8.高層大氣（或電離層）9.極區(qū)亞暴脈沖（PSP）10.電磁干擾（或干擾）三、簡答題1.簡述全球大氣電場（GAEC）的基本結(jié)構(gòu)，包括主要組成部分及其空間分布特征。答：GAEC由三個(gè)主要部分組成：連接熱帶電離層（約200km）與赤道近地面的電位差（約100萬伏特）；沿磁力線從極區(qū)流經(jīng)電離層的場致流（約5000安培）；以及赤道附近地表與熱帶電離層之間的電流（約5000安培）。其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為赤道地區(qū)地表帶正電，熱帶電離層帶負(fù)電，形成一個(gè)巨大的電偶極子。2.簡要說明極光是如何產(chǎn)生的，并列舉至少兩種主要的極光觀測手段。答：極光產(chǎn)生于地球磁層捕獲的高能帶電粒子（主要是電子和質(zhì)子）沿磁力線進(jìn)入地球高層大氣（電離層以上），與大氣中的中性分子（如O?、N?）發(fā)生碰撞，使大氣分子激發(fā)并隨后返回基態(tài)時(shí)發(fā)出光子而形成。主要的觀測手段包括：地面觀測（使用光電成像設(shè)備拍攝極光圖像、測量光強(qiáng)和光譜）；空間觀測（使用衛(wèi)星上的成像儀、光譜儀和粒子探測器進(jìn)行綜合觀測）。3.描述大氣中閃電放電的基本過程，并說明閃電產(chǎn)生的VLF/ULF信號(hào)有哪些特點(diǎn)。答：閃電放電過程通常分為幾個(gè)階段：先導(dǎo)發(fā)展（從云底或地面發(fā)起的階梯式放電）、先導(dǎo)與先導(dǎo)/地之間的回?fù)簦ㄖ鞣烹?，速度極快，產(chǎn)生大部分光和熱）、多次回?fù)簦ㄖ鞣烹姾蟮亩啻沃貜?fù)放電）。閃電通道中快速變化的巨大電流（峰值可達(dá)數(shù)十千安培，上升時(shí)間微秒級(jí)）會(huì)像天線一樣輻射出寬頻帶的電磁波，其中VLF（3-30kHz）和ULF（<3kHz）頻段的信號(hào)尤為強(qiáng)烈。這些信號(hào)的特點(diǎn)是：頻率低、衰減慢、傳播距離遠(yuǎn)（可環(huán)繞地球傳播）、包含豐富的閃電活動(dòng)信息。4.解釋什么是電離層騷擾，并簡述其可能對無線電通信造成的主要影響。答：電離層騷擾是指由太陽活動(dòng)（如太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射）或地球內(nèi)部活動(dòng)引起的電離層參數(shù)（如電子密度、溫度、等離子體頻率）的短期劇烈變化。這些變化會(huì)改變無線電波在電離層中的反射和折射特性。對無線電通信的主要影響包括：引起短波通信衰落、中斷甚至完全失效；導(dǎo)致GPS等導(dǎo)航定位信號(hào)傳播延遲、閃爍、失鎖；干擾甚低頻通信等。四、計(jì)算題1.已知某地大氣電導(dǎo)率隨高度的分布近似為σ(h)=σ?*exp(-h/H)，其中σ?=2x10?1?S/m，H=10km。假設(shè)地表電場強(qiáng)度E?=100V/m。請估算該地電離層（假設(shè)高度h=100km）處的電場強(qiáng)度。(忽略尖端放電效應(yīng))解：在穩(wěn)態(tài)條件下，電場強(qiáng)度E與電導(dǎo)率σ成反比，即E∝1/σ。因此，地表電場E?與電離層電場E?的比值等于電離層高度電導(dǎo)率σ?與地表電導(dǎo)率σ?的比值：E?/E?=σ?/σ?。將σ(h)=σ?*exp(-h/H)代入，得到E?/E?=exp(h/H)。代入h=100km,H=10km，計(jì)算得E?/E?=exp(100/10)=exp(10)≈22026。所以E?≈E?*22026≈100V/m*22026≈2.2x10?V/m。答案約為2.2x10?V/m。2.假設(shè)一次閃電事件產(chǎn)生的峰值電流I_peak=30kA，主放電通道長度L=10km。如果該放電過程近似為指數(shù)衰減，時(shí)間常數(shù)τ=10μs。請計(jì)算該閃電過程產(chǎn)生的最大時(shí)變電流率（dI/dt）max。解：放電過程近似為指數(shù)衰減，電流隨時(shí)間變化的關(guān)系為I(t)=I_peak*exp(-t/τ)。時(shí)變電流率dI/dt=d/dt[I_peak*exp(-t/τ)]=-(I_peak/τ)*exp(-t/τ)。最大時(shí)變電流率發(fā)生在t=0的時(shí)刻，此時(shí)exp(-t/τ)=exp(0)=1。因