2025年大學《地球系統(tǒng)科學》專業(yè)題庫——地球系統(tǒng)中的能源資源利用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.地球系統(tǒng)科學2.可再生能源3.碳足跡4.能源轉(zhuǎn)型5.生物地球化學循環(huán)二、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述化石能源的形成過程及其對地球大氣圈可能產(chǎn)生的重大影響。2.比較太陽能和風能作為兩種可再生能源的主要優(yōu)缺點。3.簡述能源利用與氣候變化之間存在的主要聯(lián)系。4.什么是“可持續(xù)發(fā)展”？在能源資源利用領域，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展面臨哪些主要挑戰(zhàn)？5.簡述水循環(huán)在地球能源系統(tǒng)中的角色和意義。三、論述題（每題15分，共45分）1.從地球系統(tǒng)科學的角度，論述人類追求能源利用效率提升的必要性和可行性，并分析其在全球能源轉(zhuǎn)型中可能扮演的角色。2.選擇你熟悉的某一種具體能源（例如化石能源、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地熱能、核能等中的任意一種），結(jié)合其開發(fā)利用過程，詳細分析其對地球系統(tǒng)（至少涉及大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈中的兩個以上圈層）可能產(chǎn)生的正面和負面影響，并提出相應的緩解或改善措施。3.分析當前全球能源格局面臨的主要問題（如能源安全、環(huán)境污染、氣候變化等），并探討地球系統(tǒng)科學視角下的未來能源解決方案可能包含哪些關鍵要素和方向。試卷答案一、名詞解釋1.地球系統(tǒng)科學：一個研究地球作為一個整體系統(tǒng)及其各組成部分之間相互作用、相互影響過程的跨學科領域。它關注大氣、海洋、陸地、冰雪、生物等圈層以及巖石圈、水圈、大氣圈之間的能量、物質(zhì)和信息的流動與循環(huán)，旨在理解地球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、動態(tài)、功能和演變，并預測其未來變化。2.可再生能源：指在自然界中可以再生、持續(xù)利用的能源，其供應是無限的或可以持續(xù)的。主要包括太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、地熱能、潮汐能等，其開發(fā)利用過程通常對環(huán)境的負面影響較小。3.碳足跡：指個人、組織、活動或產(chǎn)品在其整個生命周期中直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體（主要是二氧化碳當量）排放總量。通常以二氧化碳當量千克或噸為單位進行衡量，是評估人類活動對氣候變化影響的重要指標。4.能源轉(zhuǎn)型：指一個國家或地區(qū)在能源結(jié)構(gòu)、能源技術、能源政策等方面發(fā)生的根本性、系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變過程。通常指從依賴化石能源向更加清潔、高效、可持續(xù)的可再生能源和核能等能源體系轉(zhuǎn)變。5.生物地球化學循環(huán)：指化學元素（如碳、氮、磷、水等）在地球各圈層（大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈）之間通過生物作用和非生物作用進行遷移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)的過程。這些循環(huán)對維持地球生命支持和調(diào)節(jié)氣候至關重要，與能源利用活動密切相關。二、簡答題1.簡述化石能源的形成過程及其對地球大氣圈可能產(chǎn)生的重大影響。*答案：化石能源（煤、石油、天然氣）是由古代生物（植物、微生物）的遺骸在地殼深處，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代（數(shù)百萬年），在高溫高壓條件下轉(zhuǎn)化而成的有機沉積巖。其形成過程涉及生物積累、埋藏、石化作用等階段。*對地球大氣圈的影響：當化石能源被燃燒時，會將其地質(zhì)儲存期間固定下來的大量碳元素以二氧化碳等溫室氣體的形式釋放到大氣中。這導致大氣中溫室氣體濃度急劇增加，增強溫室效應，導致全球平均氣溫升高，引發(fā)氣候變化等一系列大氣圈層變化。*解析思路：第一步，清晰描述化石能源的來源和形成過程，強調(diào)其碳的地質(zhì)儲存特性。第二步，重點闡述化石能源燃燒這一人類活動如何將儲存的碳釋放出來。第三步，明確指出釋放的溫室氣體（主要是CO2）對大氣成分的改變，并直接關聯(lián)到其對大氣圈（特別是溫度和氣候）的重大影響。2.比較太陽能和風能作為兩種可再生能源的主要優(yōu)缺點。*答案：太陽能：*優(yōu)點：資源極其豐富，分布廣泛，清潔無污染，技術成本持續(xù)下降。*缺點：能量密度低，受天氣和日照時間影響大，具有間歇性和波動性，需要較大的土地面積部署，電池儲能成本較高。*風能：*優(yōu)點：資源潛力大，能量密度高于太陽能，發(fā)電成本相對較低（尤其海上風電），可以實現(xiàn)較快的建設周期。*缺點：受地理位置和風力條件限制，存在視覺和噪音影響，對鳥類和蝙蝠可能造成影響，風機壽命和回收處理問題。*解析思路：分別針對太陽能和風能，從資源特性、環(huán)境影響、技術經(jīng)濟性、部署條件、穩(wěn)定性等多個維度進行對比分析。列出各自顯著的優(yōu)點和需要克服的缺點，確保對比全面。3.簡述能源利用與氣候變化之間存在的主要聯(lián)系。*答案：能源利用與氣候變化之間存在密切的因果關系。人類活動（特別是燃燒化石燃料、工業(yè)生產(chǎn)、土地利用變化等）消耗能源，這個過程會向大氣中排放大量的溫室氣體（如二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等）。這些溫室氣體在大氣中積累，像毯子一樣包裹地球，吸收和重新輻射紅外線，導致地球系統(tǒng)（特別是大氣和海洋）能量失衡，全球平均氣溫上升，進而引發(fā)海平面上升、極端天氣事件增多增強、冰川融化等一系列氣候變化現(xiàn)象。*解析思路：闡明能源利用的主要方式（燃燒化石燃料）及其排放的溫室氣體種類。解釋溫室氣體的作用機制（增強溫室效應）。最后說明這種效應導致的全球氣候系統(tǒng)變化的具體表現(xiàn)，清晰地建立起能源消耗->溫室氣體排放->溫室效應增強->氣候變化這一鏈條。4.什么是“可持續(xù)發(fā)展”？在能源資源利用領域，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展面臨哪些主要挑戰(zhàn)？*答案：可持續(xù)發(fā)展是指既滿足當代人的需求，又不損害后代人滿足其需求的能力的發(fā)展模式。它強調(diào)經(jīng)濟、社會和環(huán)境三個維度之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，旨在實現(xiàn)人類福祉的提升與地球生態(tài)系統(tǒng)的健康保護相統(tǒng)一。*能源資源利用領域的挑戰(zhàn)：實現(xiàn)能源資源利用的可持續(xù)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，主要包括：*如何在滿足當前社會經(jīng)濟發(fā)展和能源需求的同時，大幅減少能源活動產(chǎn)生的環(huán)境污染和溫室氣體排放。*如何在確保能源安全穩(wěn)定供應的前提下，加速向清潔、低碳的可再生能源基能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。*如何平衡能源開發(fā)利用與生物多樣性保護、水土資源保護等生態(tài)承載力之間的矛盾。*如何在全球化背景下，協(xié)調(diào)各國在能源政策、技術標準、公平分配等方面的差異，共同應對全球氣候變化。*如何降低清潔能源技術的成本，提高其普及率和可及性，特別是對于發(fā)展中國家和弱勢群體。*解析思路：第一問，首先給出可持續(xù)發(fā)展的標準定義，并點明其核心內(nèi)涵（代際公平、協(xié)調(diào)發(fā)展）。第二問，從環(huán)境（減排）、能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型（安全與清潔）、生態(tài)保護（承載力）、全球合作（公平與協(xié)調(diào)）、經(jīng)濟可及性（成本與普及）等多個相互關聯(lián)的方面，系統(tǒng)闡述能源領域可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。5.簡述水循環(huán)在地球能源系統(tǒng)中的角色和意義。*答案：水循環(huán)在地球能源系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色和意義：*能量傳輸與轉(zhuǎn)換：水循環(huán)過程（蒸發(fā)、輸送、降水、徑流）伴隨著巨大的能量交換和轉(zhuǎn)換，是驅(qū)動大氣運動、洋流等大型地球系統(tǒng)運動的重要能量來源。水相變（蒸發(fā)吸熱、凝結(jié)放熱）本身也涉及能量的吸收和釋放。*可再生能源的媒介：水循環(huán)是水能（利用河流、潮汐、波浪運動）、海水溫差能等可再生能源開發(fā)的核心要素。水資源的豐沛程度直接影響這些能源的潛力。*能源利用的影響因素：水循環(huán)的狀態(tài)（如降水、干旱、洪水）直接影響能源設施（如水電廠、核電站冷卻系統(tǒng)、火電廠取水口）的運行安全和效率。水資源短缺或水污染也會制約能源生產(chǎn)活動。*環(huán)境影響的關鍵環(huán)節(jié)：能源開發(fā)利用活動（如化石燃料開采、發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)）可能干擾區(qū)域水循環(huán)，導致水資源緊張、水體污染、地下水超采、濕地區(qū)域退化等問題。反過來，水循環(huán)的變化（如氣候變化導致的水資源分布失衡）也會影響能源需求（如農(nóng)業(yè)灌溉、居民用水）和能源設施選址。*解析思路：從能量角度，說明水循環(huán)的動力作用和能量轉(zhuǎn)換過程。從資源角度，指出水循環(huán)對水能等可再生能源的重要性。從應用角度，說明水循環(huán)狀況對能源設施運行的影響。從環(huán)境角度，闡述能源活動與水循環(huán)的相互作用和相互影響，強調(diào)其雙向聯(lián)系。三、論述題1.從地球系統(tǒng)科學的角度，論述人類追求能源利用效率提升的必要性和可行性，并分析其在全球能源轉(zhuǎn)型中可能扮演的角色。*答案：*必要性：從地球系統(tǒng)科學角度看，提升能源利用效率具有極端必要性。首先，地球系統(tǒng)的承載能力（如大氣容量、水體自凈能力、生態(tài)承載力）是有限的。人類高效率的能源利用是導致全球氣候變化（溫室氣體排放）、環(huán)境污染（空氣、水、土壤污染）和資源枯竭（化石能源、水資源）等問題的關鍵驅(qū)動因素之一。提升效率意味著在滿足同等或更高需求的前提下，減少對地球系統(tǒng)的壓力和擾動，是實現(xiàn)能源可持續(xù)利用和環(huán)境友好的基礎。其次，提高效率有助于緩解能源供需矛盾，保障能源安全，降低能源成本，提升經(jīng)濟競爭力。*可行性：提升能源利用效率在技術、經(jīng)濟和政策層面都具備可行性。技術上，熱力學定律為效率提升提供了理論指導，各項節(jié)能技術（如節(jié)能家電、高效電機、智能電網(wǎng)、建筑節(jié)能、工業(yè)流程優(yōu)化等）已日臻成熟并不斷進步。經(jīng)濟上，節(jié)能措施往往具有較短的回收期和顯著的投資回報率，能源效率提升本身就是一種經(jīng)濟增長點。政策上，通過制定能效標準、實施能源審計、提供財政激勵、推廣綠色金融等多種手段，可以有效推動節(jié)能潛力的釋放。*在能源轉(zhuǎn)型中的角色：能源利用效率提升是全球能源轉(zhuǎn)型不可或缺的組成部分，扮演著關鍵角色。首先，它是實現(xiàn)“減碳”與“保供”雙重目標的有效途徑，即在降低碳排放的同時，維持能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。其次，效率提升可以降低對新增能源供應（尤其是大規(guī)?？稍偕茉矗┑囊蕾?，為能源結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)型創(chuàng)造時間和空間。再次，它是發(fā)展低碳技術的催化劑，推動產(chǎn)業(yè)升級和技術創(chuàng)新。最后，作為成本相對較低、實施最快的減排措施（所謂的“第一燃料”），效率提升是實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》等國際氣候目標的重要支撐。*解析思路：結(jié)構(gòu)上采用“必要性-可行性-角色”的邏輯框架。在“必要性”部分，緊扣地球系統(tǒng)科學理念，強調(diào)效率與地球承載力、環(huán)境問題、資源消耗的內(nèi)在聯(lián)系。在“可行性”部分，從技術、經(jīng)濟、政策三個維度論證其現(xiàn)實可行性。在“角色”部分，闡述效率在能源轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略地位，從減碳保供、支撐轉(zhuǎn)型、技術驅(qū)動、目標實現(xiàn)等多個方面分析其作用。2.選擇你熟悉的某一種具體能源（例如化石能源、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地熱能、核能等中的任意一種），結(jié)合其開發(fā)利用過程，詳細分析其對地球系統(tǒng)（至少涉及大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈中的兩個以上圈層）可能產(chǎn)生的正面和負面影響，并提出相應的緩解或改善措施。*答案：（以太陽能為例進行論述，考生可選擇其他能源并遵循類似結(jié)構(gòu)）*太陽能開發(fā)利用過程：主要指太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱利用。前者通過光伏板將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能；后者通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，用于供暖、熱水或發(fā)電（太陽能熱發(fā)電）。開發(fā)利用過程涉及太陽能電池板/集熱器制造、運輸安裝、電站建設、電力/熱能傳輸以及系統(tǒng)維護和最終處置。*對地球系統(tǒng)的影響：*正面影響：*大氣圈：太陽能是清潔能源，其開發(fā)利用過程幾乎不排放溫室氣體和大氣污染物（如二氧化硫、氮氧化物），有助于改善空氣質(zhì)量，減緩全球氣候變化。*生物圈：太陽能利用不消耗地球上的生物質(zhì)資源，對生物多樣性影響相對較?。ㄓ绕渑c化石能源開采相比）。大規(guī)模太陽能電站建設可能占用土地，對局部區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定擾動，但可通過科學選址和生態(tài)補償措施加以緩解。*負面影響：*大氣圈：太陽能電池板/集熱器制造過程需要消耗能源和原材料，可能涉及一些大氣污染排放。光伏組件中的重金屬（如鎘、鉛、砷）和稀有金屬（如硅、鍺）若處置不當，可能進入大氣環(huán)境造成污染。*水圈：光伏板清洗需要消耗大量水資源，尤其在干旱半干旱地區(qū)可能加劇水資源緊張。太陽能熱發(fā)電（CSP）需要大量水進行冷卻，對河流或地下水造成壓力。電站建設可能改變地表徑流模式。*巖石圈：太陽能電站（特別是大型地面電站）需要占用土地面積，可能涉及土地征用、地表植被破壞、土壤壓實、土壤侵蝕等問題。礦產(chǎn)開采（用于制造電池板/集熱器）對巖石圈造成破壞。*生物圈：如前所述，土地占用可能破壞原有植被和habitats，影響野生動物遷徙或覓食。電網(wǎng)建設可能割裂棲息地。制造過程中的化學物質(zhì)可能污染土壤和水源，影響植物生長和微生物活動。*緩解或改善措施：*技術研發(fā)：提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，降低材料消耗和成本。研發(fā)使用更環(huán)保、更長壽命的材料，減少重金屬和稀有金屬使用。開發(fā)非水基清洗技術或節(jié)水型冷卻技術。*選址與規(guī)劃：科學評估環(huán)境承載力，優(yōu)先選擇廢棄礦區(qū)、鹽堿地、荒漠等邊際土地建設電站，最大限度減少對優(yōu)質(zhì)耕地和生態(tài)敏感區(qū)的占用。進行詳細的環(huán)境影響評價，制定嚴格的生態(tài)保護措施。*循環(huán)經(jīng)濟：建立完善的廢舊光伏板/集熱器回收利用體系，實現(xiàn)材料回收和資源再生，防止環(huán)境污染。推廣“光伏+”模式（如農(nóng)光互補、漁光互補），實現(xiàn)土地的復合利用。*政策與管理：制定嚴格的環(huán)保標準和生產(chǎn)規(guī)范。通過政策激勵，鼓勵研發(fā)和應用環(huán)保技術。加強環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)管，確保太陽能開發(fā)利用活動符合環(huán)保要求。*解析思路：第一部分清晰描述所選能源的開發(fā)利用過程。第二部分是核心，需要圍繞大氣、水、巖石、生物（至少兩個圈層）展開，詳細列舉正面和負面環(huán)境影響。正面影響側(cè)重于其清潔性、資源可再生性等優(yōu)勢。負面影響需具體到開發(fā)利用的各個環(huán)節(jié)可能對相應圈層造成的直接或間接影響（如污染、資源消耗、生態(tài)破壞等）。第三部分針對識別出的負面影響，提出具有針對性和可行性的緩解或改善措施，體現(xiàn)解決問題的思路。3.分析當前全球能源格局面臨的主要問題，并探討地球系統(tǒng)科學視角下的未來能源解決方案可能包含哪些關鍵要素和方向。*答案：*當前全球能源格局面臨的主要問題：*高度依賴化石能源：全球能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭、石油、天然氣為主，導致嚴重的環(huán)境污染和溫室氣體排放，是氣候變化、空氣污染等環(huán)境問題的主要根源。*能源不平等與分配不公：不同國家、地區(qū)和人群在能源可及性、可負擔性和能源服務獲取方面存在巨大差距，能源貧困問題依然嚴峻。*能源安全風險：化石能源資源分布不均，運輸依賴性強，地緣政治沖突、經(jīng)濟波動等因素易引發(fā)能源供應中斷和價格劇烈波動，威脅國家能源安全。*基礎設施老化與轉(zhuǎn)型滯后：現(xiàn)有以化石能源為基礎的能源基礎設施（如燃煤電廠、傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡）規(guī)模龐大且效率不高，更新改造和向清潔低碳系統(tǒng)轉(zhuǎn)型面臨巨大挑戰(zhàn)。*氣候變化與生態(tài)破壞的加?。翰豢沙掷m(xù)的能源利用模式加劇了全球氣候變化，對地球各圈層系統(tǒng)造成深刻影響，并引發(fā)一系列生態(tài)破壞和自然災害。*資源消耗與土地占用壓力：新能源技術（如太陽能、風能、核能）的部署需要消耗大量材料（特別是稀土元素）和土地資源，如何平衡能源轉(zhuǎn)型與資源環(huán)境承載力是重要議題。*地球系統(tǒng)科學視角下的未來能源解決方案關鍵要素和方向：*系統(tǒng)思維與綜合集成：將能源系統(tǒng)置于整個地球系統(tǒng)框架內(nèi)進行考量，理解能源利用與大氣、水、巖石、生物等圈層相互作用的復雜關系，強調(diào)不同能源類型、技術、管理措施之間的協(xié)同與整合。*可再生能源主導與多元化發(fā)展：大力發(fā)展風能、太陽能、水能、地熱能、生物質(zhì)能等可再生能源，構(gòu)建以可再生能源為主體的多元化、分布式的能源供應體系。同時，因地制宜利用其他清