2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——木星衛(wèi)星冰層結構與熔融行星核考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、木星衛(wèi)星木衛(wèi)二是太陽系中地質活動最活躍的衛(wèi)星之一，其表面年輕且布滿裂縫和撞擊坑，但下方可能存在巨大的液態(tài)水海洋。請簡述支持木衛(wèi)二存在地下海洋的主要證據(jù)，并說明潮汐加熱是維持該海洋液態(tài)狀態(tài)的關鍵機制。二、描述冰巨行星（如木星）內部結構的基本分層模型。簡述你認為形成這種分異的主要能量來源有哪些？并分別說明這些能量來源的作用機制及其對行星核心演化的可能影響。三、對比分析木星伽利略衛(wèi)星（木衛(wèi)一、二、三、四）冰殼的主要特征（例如成分、厚度、結構、地下海洋的可能性）。指出造成這些衛(wèi)星冰殼顯著差異的主要原因。四、假設通過未來探測任務，我們發(fā)現(xiàn)某木星型行星的核半徑占行星半徑的比例顯著高于木星，而行星整體密度略低于木星。結合行星內部結構和熱演化的知識，討論這可能對推斷該行星的核組成和形成歷史提出哪些不同的猜想或限制。五、解釋什么是行星的“冰?！保↖ceMantle）。在討論冰幔的物理狀態(tài)（固態(tài)、塑性、部分熔融）時，需要考慮哪些關鍵因素（例如壓力、溫度、成分）？冰幔的性質如何影響其對行星核心的侵蝕或捕獲過程？六、簡要闡述放射性元素衰變在行星內部熱演化中的作用。以木星為例，說明內部放射性加熱如何影響其核心的形成和增長過程。你認為僅靠放射性加熱能否完全解釋木星目前的內部熱量？七、木星的強磁場是其重要的物理特征。結合行星核心的知識，解釋為什么熔融或部分熔融的金屬核心被認為是產生木星強磁場的主要機制。簡述發(fā)電機模型（DynamoModel）在解釋這一現(xiàn)象中的基本原理。八、討論木星衛(wèi)星系統(tǒng)（特別是伽利略衛(wèi)星）的動力學狀態(tài)對木星自身內部（尤其是核心區(qū)域）可能產生的長期影響。例如，潮汐相互作用如何傳遞能量和角動量？九、如果未來的探測任務能夠直接測量木星核心的表面溫度和熱流，你認為這些數(shù)據(jù)將對當前的行星形成和核心演化模型提供哪些關鍵信息或挑戰(zhàn)？試卷答案一、支持木衛(wèi)二存在地下海洋的主要證據(jù)包括：①木衛(wèi)二表面年輕、地質活動頻繁，表現(xiàn)為廣泛的裂縫（線狀特征）、撞擊坑較少的表面區(qū)域以及冰火山活動；②木星潮汐力產生的劇烈摩擦加熱效應，使得木衛(wèi)二內部保持較高溫度，足以維持下方液態(tài)水海洋；③重力測量數(shù)據(jù)表明木衛(wèi)二的質量和密度遠超純冰天體，暗示其內部存在高密度物質（可能為巖石核心和/或液態(tài)水海洋）；④磁力測量顯示木衛(wèi)二可能存在連接其內部海洋與木星磁場的電流環(huán)，表明其下方存在導電的液態(tài)體。潮汐加熱是維持木衛(wèi)二海洋液態(tài)的關鍵。木星對木衛(wèi)二的強大引力產生了持續(xù)的潮汐力，導致木衛(wèi)二內部發(fā)生周期性的拉伸和擠壓，這種機械應力轉化為熱能，使得木衛(wèi)二內部（尤其是冰幔和潛在海洋）保持熔融狀態(tài)，其加熱效率遠超放射性元素衰變產生的熱量。二、冰巨行星內部結構的基本分層模型通常包括：外部的氣體或冰幔（主要成分為H?,He,H?O,CO?,NH?等）、較厚的冰殼（如果存在）、以及中心的巖石/金屬核心。形成這種分異的主要能量來源包括：①行星形成早期，通過吸積和碰撞釋放的引力勢能；②放射性元素（如鈾、釷、鉀）在行星內部衰變釋放的放射性熱；③潮汐加熱，特別是對于有大型衛(wèi)星系統(tǒng)或經歷大規(guī)模早期軌道遷移的行星，其核心與星?；蛐轻Ｅc星殼之間的潮汐相互作用持續(xù)產生熱量。這些能量來源驅動了行星內部的熔融、分異過程，使得重元素（如鐵、鎳、硅酸鹽）向核心沉降，輕元素和化合物（如氫、氦、水冰、氨冰）則富集到外部的幔和殼中。持續(xù)的內部加熱有助于維持核心的熔融狀態(tài)或部分熔融狀態(tài)，并驅動巖石圈和冰幔的地質活動。三、木星伽利略衛(wèi)星冰殼特征及差異原因：*木衛(wèi)一：最薄冰殼（約10-30公里），下方可能為液態(tài)海洋。地質活動最活躍（火山活動），冰殼更新速度快。原因：接受最多的木星潮汐加熱。*木衛(wèi)二：中等厚度冰殼（約100-150公里），下方確認存在液態(tài)海洋。表面年輕，布滿裂縫，少量撞擊坑。原因：顯著的木星潮汐加熱，可能還有自轉潮汐加熱和/或核心-冰幔相互作用加熱。*木衛(wèi)三：最厚冰殼（約800公里以上），下方可能存在固態(tài)或塑性冰幔，海洋存在與否尚存爭議。表面最古老，撞擊坑密集。原因：接受潮汐加熱較少，形成歷史長。*木衛(wèi)四：中等厚度冰殼（約130-180公里），下方可能存在液態(tài)海洋。表面最古老，撞擊坑最多，有冰火山活動。原因：潮汐加熱效率低于木衛(wèi)二，但高于木衛(wèi)三，形成歷史也較長。差異主要原因是各衛(wèi)星與木星的距離不同，導致接收到的潮汐加熱強度差異巨大，進而影響了其冰殼的厚度、地質活躍程度和內部結構。四、若某木星型行星核半徑占比更高、密度更低，可能提出以下猜想或限制：*猜想1（高豐度輕元素核心）：核心可能由更多的輕元素（如硅、硫）或更大量的揮發(fā)性物質（如水冰、氨冰）組成，而非傳統(tǒng)的鐵鎳金屬。這需要核心形成于更靠近行星原始星云盤的富揮發(fā)性區(qū)域。*猜想2（較大的幔層）：密度較低可能意味著外部的冰?；驓怏w幔相對更厚，或者成分中輕元素含量更高，使得整體密度下降。*猜想3（不同的形成歷史）：核半徑占比高可能暗示核心形成較早且增長迅速，或者存在顯著的后期物質注入（如通過大型碰撞）改變了行星的內部成分比例。*限制：較低的行星整體密度限制了核心的最大可能質量。如果假設核心主要由鐵鎳組成，那么更高的核半徑占比意味著核心質量相對于行星總質量的比值也較高，這可能對行星的早期自轉和磁場的建立產生更強的約束。同時，核心的低溫（如果部分熔融）會改變其熱導率和對流模式，影響行星整體的熱演化路徑。五、行星的“冰?！笔侵复嬖谟趲r石核心與行星最外層（可能是氣體或固態(tài)幔）之間的圈層，其主要成分是冰狀水（H?O）以及可能包含的氨（NH?）、甲烷（CH?）等其他揮發(fā)性物質，通常處于高壓和高溫狀態(tài)。討論冰幔物理狀態(tài)需考慮：①壓力：極高壓力會顯著提高冰的熔點（形成高壓冰相態(tài)），影響其結構和穩(wěn)定性；②溫度：內部熱量（放射性、潮汐）的輸入決定冰幔的整體溫度分布和是否處于熔融或塑性狀態(tài)；③成分：冰中溶解的其他揮發(fā)性物質會降低冰的熔點，影響其相邊界和物理性質。冰幔的性質影響核心演化，特別是對核心的“侵蝕”或物質交換：①塑性或部分熔融的冰幔可以圍繞核心發(fā)生對流，將熱量從內部傳遞到表面，并可能將輕元素（如水、氨）輸運到核心附近；②冰幔與核心之間的物理接觸界面可能發(fā)生物質交換，例如核心的輕元素熔體可能上涌與冰?；旌?，或者冰幔的熔體可能下滲侵蝕核心邊界；③冰幔的流變性質決定了其與核心的耦合效率，影響潮汐加熱的效率。六、放射性元素（如鈾-238,釷-232,鉀-40）在行星形成和演化過程中會自發(fā)衰變，釋放α粒子、β粒子和γ射線，并將能量轉化為熱能。這是行星內部主要的內生熱源之一。以木星為例，放射性加熱在其早期核心形成和增長階段可能發(fā)揮了重要作用。在行星吸積和早期收縮階段產生的引力勢能是主要的初始熱量來源，而放射性元素富集在正在形成的核心中，其衰變熱持續(xù)補充了內部熱量，延緩了行星的冷卻速度，使得核心能夠保持熔融或部分熔融狀態(tài)，有利于重元素的進一步吸積和沉降，以及內部物質的混合和對流。然而，僅靠放射性加熱通常不足以完全解釋像木星這樣氣態(tài)巨行星當前的內部熱量。其強大的磁場、快速的自轉以及巨大的能量消耗（維持厚大氣層、驅動磁層）都需要持續(xù)且巨大的能量輸入。目前主流觀點認為，除了放射性熱，木星內部仍存在顯著的潮汐加熱（由其快速自轉和巨大的衛(wèi)星系統(tǒng)導致），以及可能存在的殘余熱量（早期形成和碰撞的遺產）。觀測到的木星內部熱流主要來自核心區(qū)域。七、熔融或部分熔融的金屬核心被認為是產生木星強磁場的主要機制，基于發(fā)電機模型（DynamoModel）的基本原理：*前提：需要一個導電的液態(tài)層（木星的核心被認為是熔融的鐵鎳金屬）。*條件：該液態(tài)層內部存在對流的運動，以及一個初始的磁場（可以是微弱的種子場）。*過程：液態(tài)金屬在磁場中運動時，會受到洛倫茲力的作用，改變其運動狀態(tài)，同時其運動也會切割磁感線，產生感應電流。這些感應電流又會產生附加的磁場。*正反饋：如果液態(tài)金屬的對流持續(xù)存在，并且產生的感應磁場與原有的磁場方向一致（或增強），就會形成一個自我維持和放大的磁場，即發(fā)電機效應。木星巨大的質量使其核心能保持熔融狀態(tài)，同時其快速的自轉（約10小時一圈）驅動了核心內部的強對流，為發(fā)電機模型提供了必要的條件。觀測到的木星磁場異常強大（約地球的25倍），其強度和形態(tài)與發(fā)電機模型的基本預測相符，因此熔融核心-發(fā)電機模型是解釋木星磁場的最廣泛接受的機制。八、木星衛(wèi)星系統(tǒng)對木星內部的長期影響主要體現(xiàn)在潮汐相互作用上：*能量和角動量交換：木星的衛(wèi)星（特別是質量較大的伽利略衛(wèi)星）圍繞木星運行時，它們產生的潮汐力會引起木星自身以及木星與衛(wèi)星之間發(fā)生形變。這種形變導致木星的自轉速度和衛(wèi)星的軌道參數(shù)之間發(fā)生長期、緩慢的交換，即角動量在木星自轉和衛(wèi)星軌道之間轉移。木星的歲差和進動也受到其衛(wèi)星系統(tǒng)的影響。*內部加熱：潮汐力在木星內部（主要是冰幔和核心區(qū)域）產生摩擦熱，這是維持木星內部熱量、驅動其強磁場和維持其衛(wèi)星系統(tǒng)活躍狀態(tài)的重要能量來源之一。對木衛(wèi)二等衛(wèi)星而言，潮汐加熱是維持其下方海洋液態(tài)的關鍵。這種相互作用是雙向的，衛(wèi)星也通過潮汐力從木星獲得能量。*軌道演化：長期的潮汐相互作用會改變衛(wèi)星的軌道，使其逐漸向內遷移或穩(wěn)定在特定軌道帶。理論上，這種能量交換也可能影響木星核心的長期熱狀態(tài)和成分分布，盡管這種影響可能比較微小。總而言之，木星與其衛(wèi)星系統(tǒng)之間的潮汐耦合是一個動態(tài)的、相互作用的系統(tǒng)，持續(xù)影響著木星的整體動力學狀態(tài)和內部熱演化。九、若未來任務能直接測量木星核心表面溫度和熱流，將提供關鍵信息并可能帶來挑戰(zhàn)：*關鍵信息：*核心熱狀態(tài)：直接測量核心表面的溫度和熱流可以精確約束核心的溫度分布和內部熱產量。這有助于區(qū)分不同的核心熱模型（如純金屬核心、含有輕元素核心、核心部分熔融等）。*驗證內部結構模型：結合重力場和磁場的測量數(shù)據(jù)，核心熱流數(shù)據(jù)可以用來檢驗和約束關于木星內部密度分布、成分分層和熱傳導性質的理論模型。*評估加熱機制貢獻：可以更定量地評估放射性加熱、潮汐加熱等不同內部加熱機制對核心區(qū)域總熱量的貢獻比例。*核心演化歷史：核心溫度是行星演化的重要指標。精確的熱流數(shù)據(jù)有助于推斷木星核心的冷卻歷史和未來的演化趨勢。*潛在挑戰(zhàn)：*測量難度極大：木星核心位于行星深處，直接測量其表面溫度和熱流面臨巨大的技術和理論挑戰(zhàn)。需要極高精度的探測器和復雜的模型來反演內部信息。*數(shù)據(jù)解釋復雜性：核心表面的熱流是內部深處熱量傳導和擴散的結果，其精確