2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地球物理學(xué)與大氣科學(xué)的聯(lián)系考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述地球磁場的主要來源及其對大氣電離層頂部（F層）電離過程的影響機(jī)制。二、解釋聲波雷達(dá)（SonicRadar）或風(fēng)廓線雷達(dá)的基本工作原理，并說明其在大氣邊界層風(fēng)場探測中的應(yīng)用優(yōu)勢。三、闡述地球內(nèi)部的熱源主要是什么？這些熱源如何可能通過影響對流層或平流層的某些物理過程（如大氣環(huán)流模式或水汽輸送）產(chǎn)生間接效應(yīng)？四、選擇以下兩種地球物理觀測技術(shù)中的一種（例如：衛(wèi)星微波輻射計或地震層析成像），描述其基本原理，并說明它如何被用于獲取與大氣水汽含量或結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。五、論述大氣中雷電活動的電磁學(xué)機(jī)制，并說明地磁場在其中扮演的角色。為什么地球物理學(xué)家會對研究雷電現(xiàn)象感興趣？六、概述全球定位系統(tǒng)（GPS）信號在電離層傳播時受到的主要影響（至少列舉三種），并簡要說明地球物理學(xué)家如何利用這些影響來反演電離層電子密度分布。七、鑒于地球物理方法在大氣科學(xué)研究中的重要性日益增強(qiáng)，探討將高精度重力測量數(shù)據(jù)用于反演地表以下密度的潛在應(yīng)用，并設(shè)想其在理解特定大氣現(xiàn)象（如熱浪成因、區(qū)域氣候異常）可能提供的獨特視角。試卷答案一、地球磁場主要來源于地核外核中熔融鐵鎳液體的運動（發(fā)電機(jī)效應(yīng)）。這個磁場延伸到大氣層頂部，會影響進(jìn)入F層的太陽高能帶電粒子（如太陽風(fēng)粒子）。當(dāng)這些帶電粒子受到地磁場的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)和反射時，會與F層大氣中的中性分子發(fā)生碰撞，從而激發(fā)和電離這些分子，維持并增強(qiáng)F層的電子密度。此外，地磁場還影響著極區(qū)電離層頂部等離子體的運動和分布。二、聲波雷達(dá)（SonicRadar）或風(fēng)廓線雷達(dá)利用超聲波在空氣中傳播的原理進(jìn)行工作。它向大氣發(fā)射短脈沖的超聲波，并通過接收目標(biāo)（如大氣中的空氣團(tuán)或微波輻射計）反射回來的回波信號。通過測量回波信號的時間延遲、頻率多普勒頻移和強(qiáng)度變化，可以反演目標(biāo)的高度、風(fēng)速和大氣聲學(xué)結(jié)構(gòu)等信息。其在大氣邊界層風(fēng)場探測中的應(yīng)用優(yōu)勢在于：能夠提供從地面到幾公里高空連續(xù)的風(fēng)速、風(fēng)向剖面；設(shè)備相對簡單、成本較低、可連續(xù)運行；對惡劣天氣條件的適應(yīng)性強(qiáng)；特別適合探測邊界層湍流和中小尺度天氣系統(tǒng)。三、地球內(nèi)部的主要熱源是放射性元素（如鈾、釷、鉀）的衰變熱以及固態(tài)內(nèi)核與液態(tài)外核之間熱對流傳遞的熱量。這些內(nèi)部熱源通過地幔對流和板塊構(gòu)造活動，可能影響地表的溫度分布和熱力性質(zhì)。例如，地?zé)岙惓^(qū)（熱點）的存在可能導(dǎo)致該區(qū)域?qū)α鲗拥撞繙囟绕撸M(jìn)而可能影響局地大氣環(huán)流，改變上升氣流和下沉氣流的結(jié)構(gòu)，間接影響區(qū)域降水分布和氣候模式。此外，內(nèi)部熱量也可能通過影響海洋環(huán)流來間接調(diào)節(jié)全球氣候。四、選擇：衛(wèi)星微波輻射計?；驹恚盒l(wèi)星微波輻射計通過測量從地球表面或大氣層特定高度發(fā)出的微波輻射（通常是被動遙感）的強(qiáng)度或頻率（主動遙感），利用不同溫度的介質(zhì)（地表、云、水汽、冰晶等）發(fā)射或散射微波的特性差異來獲取信息。微波輻射的強(qiáng)度與溫度密切相關(guān)，根據(jù)測得的輻射亮度溫度，可以反演大氣或地表的溫度、濕度、水汽含量、云層特性、海面溫度等信息。獲取大氣水汽信息的方式：大氣中的水汽分子會發(fā)射特定頻率的微波輻射（如22GHz、183GHz頻段）。衛(wèi)星微波輻射計通過精確測量這些頻率的輻射亮度，可以直接反演大氣不同層結(jié)的絕對濕度或水汽含量。例如，在紅外窗口183GHz附近，水汽的發(fā)射率很高，是探測平流層和水汽的重要通道。五、大氣中雷電活動的電磁學(xué)機(jī)制主要涉及電荷分離、積累和放電過程。云層中由于水滴的碰撞、摩擦和電荷交換，導(dǎo)致正負(fù)電荷分離，形成帶電的云層和潛在的電荷集中的“箭頭”。當(dāng)電場強(qiáng)度足夠大時，發(fā)生瞬態(tài)放電（閃電）。閃電通道中移動的電子和離子形成巨大的電流，產(chǎn)生強(qiáng)電磁輻射，其頻率范圍從直流電到極高頻。地磁場在其中扮演的角色：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，快速變化的電流會產(chǎn)生變化的磁場。閃電通道中強(qiáng)大的時變電流會激發(fā)出強(qiáng)大的時變電磁場，即閃電脈沖星（LightningPulseStar）。這個電磁場會與地球固有的地磁場相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，尤其是在地面上。地球物理學(xué)家研究雷電現(xiàn)象，原因在于：雷電是大氣中最劇烈的放電現(xiàn)象，研究其發(fā)生機(jī)制有助于理解云物理過程和大氣電學(xué)；雷電活動與天氣系統(tǒng)（尤其是強(qiáng)對流天氣）密切相關(guān)，研究雷電有助于預(yù)測災(zāi)害性天氣；雷電產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁信號可以被遠(yuǎn)程探測，為地球電磁學(xué)研究和空間天氣學(xué)研究提供信息；閃電的化學(xué)過程（如產(chǎn)生氮氧化物）對臭氧層和平流層化學(xué)有重要影響。六、GPS信號在電離層傳播時受到的主要影響包括：1.延遲（Tion）：電離層中的自由電子會使GPS信號傳播速度減慢，導(dǎo)致信號傳播路徑延長，產(chǎn)生與信號頻率和路徑上電子密度相關(guān)的延遲。這是最主要的影響。2.色散（IonosphericDelayDispersion）：不同頻率的GPS信號（如L1和L2）穿過相同電子密度時，由于頻率依賴性，其延遲值不同，導(dǎo)致信號失相。3.閃爍（Scintillation）：電離層的不均勻性會使GPS信號相位和振幅快速、隨機(jī)地波動，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致信號失鎖。閃爍主要發(fā)生在F層頂部，受太陽活動影響顯著。4.組延遲（GroupDelay）：與延遲類似，但更側(cè)重于信號包絡(luò)的變化。地球物理學(xué)家利用這些影響反演電離層電子密度分布：通過接收地面GPS接收機(jī)接收到的多頻信號，精確測量上述各種影響（主要是延遲和色散）。利用已知的信號傳播模型和電離層延遲模型，結(jié)合信號傳播路徑和幾何關(guān)系，可以反演出路徑上不同高度的電子密度（電子濃度）分布。這種技術(shù)（如雙頻組合、廣域差分GPS電離層監(jiān)測）是現(xiàn)代電離層監(jiān)測和研究的核心手段之一。七、將高精度重力測量數(shù)據(jù)用于反演地表以下密度的潛在應(yīng)用在于：通過精確測量地表重力異常，結(jié)合密度模型和地球物理反演理論（如重力正反演），可以推斷地表以下不同深度地層（如地殼、上地幔）的密度分布。設(shè)想其在理解特定大氣現(xiàn)象（如熱浪成因、區(qū)域氣候異常）可能提供的獨特視角包括：1.熱浪成因：地表熱浪的發(fā)生往往與地表以下地?zé)峄顒赢惓Ｓ嘘P(guān)。通過重力反演獲得的地殼深部密度結(jié)構(gòu)信息，可以幫助識別是否存在地幔熱異常體或地?zé)崽荻犬惓^(qū)，這些可能是熱浪事件的地球物理根源。例如，在克拉通地區(qū)識別深部密度低（高熱流）區(qū)域，可能與局部熱力上升導(dǎo)致的地表增溫有關(guān)。2.區(qū)域氣候異常：地表密度分布（受地形、