2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——恒星質(zhì)量對行星大氣成分的影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述恒星質(zhì)量對其行星系統(tǒng)的宜居帶位置有何影響，并解釋其原因。二、恒星風被認為是剝蝕行星大氣的重要力量。請說明恒星風對行星大氣逃逸的主要機制，并比較M型紅矮星和G型類太陽恒星在其恒星風強度和性質(zhì)上的主要差異，以及對行星大氣演化的潛在影響。三、解釋什么是大氣逃逸的“能量限制”和“質(zhì)量限制”，并說明對于質(zhì)量較小的行星（如地球質(zhì)量或更?。?，恒星輻射（特別是紫外輻射）在驅(qū)動大氣逃逸過程中扮演的角色為何比對于氣態(tài)巨行星更為關(guān)鍵。四、假設(shè)我們探測到兩顆位于同一恒星系中的類地行星，它們圍繞一顆G型類太陽恒星運行。行星A位于該恒星的宜居帶內(nèi)，而行星B位于宜居帶外稍近的位置。根據(jù)行星科學的知識，推測這兩顆行星在大氣成分和演化歷史上可能存在的顯著差異，并說明理由。五、討論行星的初始大氣成分（例如，通過碰撞捕獲或火山活動形成）對其后續(xù)大氣演化以及最終大氣成分的長期穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。恒星質(zhì)量在這一過程中扮演了怎樣的角色？六、以一顆年輕的、質(zhì)量較大的M型紅矮星周圍的行星系統(tǒng)為例，分析該恒星環(huán)境對其潛在行星大氣可能產(chǎn)生的幾種主要不利影響，并簡要說明這些影響如何可能阻礙行星維持一個宜居的大氣層。七、某項天文觀測任務(wù)發(fā)現(xiàn)了一顆位于其母星宜居帶內(nèi)的系外行星，其半徑和質(zhì)量與地球相近。初步光譜分析顯示其大氣中存在水蒸氣吸收信號。然而，該行星母星是一顆活躍的M型紅矮星，持續(xù)發(fā)出強烈的恒星風?；诖饲榫?，討論可能存在的幾種解釋，說明該系外行星大氣為何能夠（或可能）得以維持，并分析其中存在的挑戰(zhàn)或需要進一步觀測確認的關(guān)鍵點。試卷答案一、恒星質(zhì)量越大，其主序星階段的光度和表面溫度通常也越高，導致宜居帶（即可能允許液態(tài)水存在的軌道范圍）距離恒星越近。反之，恒星質(zhì)量越小，光度和溫度越低，宜居帶則越遠。原因在于行星接收到的恒星輻射能量與其與恒星的距離的平方成反比，也與恒星的光度成正比。為了維持相似的表面溫度范圍（特別是允許液態(tài)水存在的條件），軌道半徑需要相應(yīng)調(diào)整。二、恒星風對行星大氣逃逸的主要機制包括：1）直接沖擊：高能帶電粒子流（恒星風）直接撞擊行星大氣頂層，將大氣粒子加速至足以克服行星引力束縛的速度而逃逸；2）加熱效應(yīng)：恒星風帶來的高能粒子和輻射加熱行星高層大氣，增加大氣粒子動能，提高Jeans溫度，從而降低大氣逃逸門檻；3）電荷交換：恒星風中的帶電粒子與行星大氣中的中性粒子發(fā)生電荷交換，使大氣粒子帶上電荷，更容易被恒星磁場捕獲并卷走，特別是對于具有全球磁場的行星。M型紅矮星比G型類太陽恒星擁有更強的、更持續(xù)的恒星風，主要因為其更高的有效溫度和更強的磁活動性。更強的恒星風意味著更高的大氣剝蝕率和更快的逃逸效率，尤其對磁場較弱或質(zhì)量較小的行星大氣構(gòu)成更大威脅。三、大氣逃逸的能量限制是指當行星高層大氣被恒星輻射（主要是紫外輻射）加熱到足夠高的溫度時，其粒子平均動能足以克服行星引力勢能，導致熱逃逸（ThermalEscape）。此時，逃逸率主要受行星大氣頂層溫度和行星質(zhì)量的限制（JeansEscape公式）。質(zhì)量限制（或稱質(zhì)量逃逸）是指對于足夠重、具有強大全球磁場的行星，其磁場可以將恒星風中的帶電粒子偏轉(zhuǎn)開，而自身大氣中的中性原子或分子則通過電荷交換等方式被間接攜帶away，這種機制更依賴于行星質(zhì)量和磁場強度，尤其有效于較重的行星（如氣態(tài)巨行星）。對于質(zhì)量較小的行星，其引力較弱，更容易被外部的能量（如恒星紫外輻射）加熱至逃逸閾值。因此，恒星紫外輻射通過能量限制機制，對質(zhì)量小、磁場弱的行星大氣逃逸起著更主導和關(guān)鍵的作用。四、行星A位于宜居帶內(nèi)，接收到的恒星輻射適中，若初始大氣存在或能夠有效捕獲氣體，較容易通過溫室效應(yīng)維持表面液態(tài)水，大氣成分可能相對豐富且穩(wěn)定，富含氮、氧等，并可能存在水蒸氣。其長期大氣演化將主要受行星地質(zhì)活動（如板塊運動、火山活動、大氣清除作用）、生物活動（如果存在）以及與恒星相互作用（如少量恒星風影響）的共同調(diào)節(jié)。行星B位于宜居帶外稍近處，雖然可能接收到的恒星總輻射略少，但其大氣可能面臨更強的恒星紫外輻射和可能的恒星風壓力，這會加速大氣逃逸，尤其是輕元素組成的大氣。即使初始大氣較豐富，也可能在早期或中期被顯著剝蝕。如果初始大氣有限，可能很快失去，導致無法維持表面液態(tài)水。其最終大氣成分可能非常稀薄，甚至接近真空狀態(tài)，主要由難逃逸的重元素或惰性氣體構(gòu)成，且演化過程可能更傾向于大氣減少而非增加。五、行星的初始大氣成分對其后續(xù)演化至關(guān)重要。初始大氣是后續(xù)大氣形成和演化的基礎(chǔ)。如果初始大氣成分合適（例如含有足夠的水汽以形成溫室效應(yīng)），行星更有可能進入并維持宜居狀態(tài)。如果初始大氣成分不適合（例如缺乏溫室氣體），行星表面溫度可能過低或過高，不利于生命或液態(tài)水的存在。恒星質(zhì)量通過影響行星宜居帶位置、恒星風強度和紫外輻射水平，間接決定了行星能否捕獲并維持初始大氣，以及后續(xù)大氣演化的方向和速率。例如，活躍的恒星風（常見于低質(zhì)量紅矮星）會嚴重剝蝕行星大氣，無論初始成分如何，都可能導致最終大氣貧瘠。六、圍繞M型紅矮星的行星大氣可能面臨的主要不利影響包括：1）強烈的恒星風剝蝕：高強度的恒星風會持續(xù)不斷地吹走行星大氣，特別是較輕的氣體成分（如氫、氦），可能導致大氣層迅速變薄甚至消失，尤其對于磁場較弱或質(zhì)量較小的行星；2）高能紫外和X射線輻射：M型紅矮星通常具有強烈的磁活動，產(chǎn)生大量高能輻射，這會破壞大氣分子，分解水汽等關(guān)鍵成分，產(chǎn)生破壞性化學過程，并可能直接加熱大氣頂層，加劇逃逸；3）劇烈的恒星耀斑活動：頻繁的耀斑爆發(fā)會瞬間釋放巨大能量和粒子，對行星大氣造成沖擊，加熱大氣，擾亂大氣環(huán)流，甚至可能熔化或蒸發(fā)地表物質(zhì)，并加速大氣頂層粒子的電離和逃逸；4）宜居帶位置可能過近：M型紅矮星的宜居帶較近，行星可能過于靠近恒星，即使有大氣，也可能因強烈的恒星輻射和恒星風而被過度加熱和剝蝕，難以維持穩(wěn)定宜居的大氣。七、該系外行星大氣可能得以維持的幾種解釋包括：1）強烈的全球磁場保護：行星可能擁有一個足夠強大且覆蓋全球的磁場，能夠有效偏轉(zhuǎn)來自活躍M型紅矮星的強烈恒星風和帶電粒子流，為大氣提供一道屏障，顯著減緩大氣逃逸速率；2）相對較高的行星質(zhì)量：如果行星質(zhì)量較大（例如接近或超過地球質(zhì)量），其引力場更強，可以提高大氣的逃逸門檻，使得大氣更難被吹走；3）大氣成分的特殊性：行星大氣可能富含較重的元素或分子（如二氧化碳、氮氣），相對較輕的氫和氦更容易逃逸，而較重的成分更難逃逸，從而整體上維持了大氣層；4）軌道位置的特殊性：盡管靠近恒星，但如果軌道具有某些特性（如較高的偏心率或傾角），可能使得行星在某些時候或位置受到的恒星風影響相對較小；5）大氣-行星-恒星相互作用形成的穩(wěn)定狀態(tài)：大氣和行星可能通過復雜的反饋機制（如磁