2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——行星電磁波頻譜分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的首字母填在括號內。）1.根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，一個黑體的總輻射功率與其絕對溫度的四次方（T）成正比。若一個行星表面的溫度從T增加到2T，其總輻射功率將變?yōu)樵瓉淼模ǎ┍丁.2B.4C.8D.162.在行星電磁波輻射中，哪種現(xiàn)象主要是由大氣中氣體分子對特定波長的電磁波選擇性地吸收造成的？A.行星反照率B.紅外光譜中的吸收線C.散射光D.熱輻射3.維恩位移定律描述了黑體輻射峰值波長與溫度的關系。當黑體溫度升高時，其輻射峰值波長將（）。A.升高B.降低C.保持不變D.先升高后降低4.對于類地行星，其可見光波段的主要輻射來源是（）。A.大氣層的熱輻射B.行星表面的反射陽光C.行星核心的核聚變反應D.行星磁層粒子沉降5.在行星電磁波觀測中，所謂“大氣窗口”指的是（）。A.大氣對電磁波吸收最強的波段B.大氣對電磁波吸收最弱的波段C.望遠鏡光學系統(tǒng)透過率最低的波段D.望遠鏡光學系統(tǒng)透過率最高的波段6.光柵和棱鏡都是用于光譜分析的光學元件，它們的主要區(qū)別在于（）。A.光柵適用于可見光，棱鏡適用于紅外光B.光柵的分光原理基于衍射，棱鏡的分光原理基于色散C.光柵的分辨率總是高于棱鏡D.光柵的制造成本總是低于棱鏡7.在使用遙感器測量行星表面溫度時，若要獲得行星本身的熱輻射亮度，通常需要（）。A.在行星大氣層以上測量B.使用特定的紅外濾光片C.對測得的輻射亮度進行大氣透過率校正D.測量行星的反射率8.氣態(tài)巨行星（如木星）呈現(xiàn)出的彩色條紋主要是由（）造成的。A.行星表面不同物質的反射率差異B.行星內部結構的不同溫度差異C.行星大氣環(huán)流導致的不同成分分布差異D.行星磁場對電磁波的色散效應9.當電磁波穿過具有一定厚度的大氣層時，其強度會減弱，這種現(xiàn)象主要遵循（）。A.反射定律B.斯涅爾定律C.貝葉斯-朗伯定律D.菲涅爾公式10.探測系外行星最常用的電磁波方法是（）。A.直接成像B.光譜線多普勒效應C.等面積法測距D.背景星光閃爍觀測二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.電磁波在真空中的傳播速度約為______米/秒。2.描述一個物體吸收所有入射電磁輻射的理想物體稱為______。3.行星大氣的______散射會導致天空呈現(xiàn)藍色。4.______定律描述了黑體輻射總功率與其絕對溫度的四次方成正比。5.在微波波段，行星電磁輻射主要來源于大氣中的______和______的旋轉。6.光譜儀的______是指其能夠分辨的最小光譜差異。7.使用紅外光譜可以探測行星大氣中______、______等重要成分。8.行星的反照率是指行星表面或大氣層對入射太陽輻射的______的比率。9.______是指電磁波在介質中傳播時，其振幅隨距離衰減的指數(shù)規(guī)律。10.______是指由于光源和觀測者相對運動導致的光譜線發(fā)生頻率偏移的現(xiàn)象。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述黑體輻射定律對理解行星熱輻射的重要性。2.解釋什么是大氣窗口，并列舉至少兩個對行星科學研究具有重要意義的大氣窗口及其對應的波段范圍。3.簡述光譜儀的基本工作原理。4.為什么在分析行星紅外光譜時需要進行大氣校正？簡述一種基本的大氣校正方法。四、計算題（每題10分，共20分。）1.假設某黑體行星表面的溫度為300K。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律（σT?），計算該行星表面單位面積的總輻射功率（σ≈5.67×10??Wm?2K??）。2.假設一束強度為I?的電磁波穿過某行星大氣層，經過距離d后強度減弱為I。已知大氣層的消光系數(shù)為α，請推導出描述電磁波強度隨距離衰減的公式，并說明公式中各符號的含義。五、分析題（每題10分，共20分。）1.假設你獲得了一張某系外行星的紅外光譜圖，圖中顯示在1.6μm附近有一個明顯的吸收峰，而在2.0μm附近則沒有明顯的吸收特征。請結合你對常見大氣成分紅外吸收特征的了解，分析該行星大氣可能的主要成分，并簡要說明你的理由。2.比較類地行星和氣態(tài)巨行星在電磁波輻射特征（包括輻射波長范圍、主要輻射機制、典型光譜特征等）上的主要差異，并簡要解釋造成這些差異的原因。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.B5.B6.B7.C8.C9.C10.B解析1.斯蒂芬-玻爾茲曼定律：P∝T?。當溫度從T增加到2T，新溫度為2T，則新功率P'=σ(2T)?=16σT?=16P。故選D。2.大氣中的氣體分子（如水汽、二氧化碳、甲烷等）會吸收電磁波譜中特定波長的能量，導致在光譜圖上出現(xiàn)暗線，即吸收線。故選B。3.維恩位移定律：λ_max∝1/T。當黑體溫度T升高時，峰值波長λ_max將減小。故選B。4.類地行星表面溫度相對較低，自身熱輻射主要在紅外波段，其可見光圖像主要是反射太陽光形成的。故選B。5.大氣窗口是指大氣對太陽輻射或行星自身輻射吸收較小的波段，使得這些波段的電磁波能夠相對容易地穿透大氣層被地面或空間觀測設備接收。故選B。6.光柵利用光的衍射原理分光，棱鏡利用光的色散原理（不同波長折射率不同）分光。故選B。7.行星表面熱輻射會被其大氣層吸收和散射，直接測量到的總輻射可能包含大氣貢獻。為獲得純粹表面熱輻射，需扣除大氣影響，即進行大氣透過率校正。故選C。8.氣態(tài)巨行星的大氣成分（如氨氣、甲烷、水冰等）隨高度和緯度分布不均，形成不同的溫度層結和流體運動，導致可見光波段呈現(xiàn)彩色條紋。故選C。9.貝葉斯-朗伯定律（Beer-LambertLaw）描述了光通過均勻介質時強度按指數(shù)衰減的關系。故選C。10.目前主流的系外行星探測方法是基于對恒星光譜進行長期監(jiān)測，尋找由行星引起的光譜多普勒效應（搖擺）或凌日法測得的亮度周期性變化。故選B。二、填空題1.3×10?2.黑體3.瑞利-瓊斯4.斯蒂芬-玻爾茲曼5.氫分子甲醛6.分辨率7.二氧化碳一氧化碳8.反射9.指數(shù)衰減10.多普勒效應解析1.真空中的光速是物理學基本常數(shù)。故填3×10?。2.能吸收所有入射電磁輻射的理想物體定義為黑體。故填黑體。3.瑞利-瓊斯散射（Rayleighscattering）理論指出，散射強度與波長的四次方成反比，大氣中的氮氣和氧氣分子對波長較短的藍紫光散射更強烈，導致天空呈現(xiàn)藍色。故填瑞利-瓊斯。4.斯蒂芬-玻爾茲曼定律描述了黑體輻射的總功率與其絕對溫度的四次方成正比的關系。故填斯蒂芬-玻爾茲曼。5.在微波波段，行星大氣中的氫分子（H?）和甲醛（H?CO）等分子的旋轉振動躍遷會發(fā)出特征輻射。故填氫分子甲醛。6.光譜儀的分辨率是指其能夠區(qū)分開兩條靠得很近的光譜線的本領。故填分辨率。7.在紅外波段，二氧化碳（CO?）在4.3μm和15μm附近有強吸收帶，一氧化碳（CO）在2.3μm和4.6μm附近有強吸收帶，這些波段常用于探測這些溫室氣體。故填二氧化碳一氧化碳。8.反照率（Albedo）定義為反射太陽輻射能量與入射太陽輻射能量的比率。故填反射。9.指數(shù)衰減（ExponentialDecay）描述了光通過介質時強度隨距離按指數(shù)規(guī)律減弱的現(xiàn)象，這是由Beer-Lambert定律決定的。故填指數(shù)衰減。10.多普勒效應（DopplerEffect）是指波源與觀察者相對運動時，觀察者接收到的波頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象，在射電天文學中用于探測行星的視向運動速度。故填多普勒效應。三、簡答題1.簡述黑體輻射定律對理解行星熱輻射的重要性。答：黑體輻射定律（特別是斯特藩-玻爾茲曼定律和維恩位移定律）提供了計算和預測物體熱輻射的基礎模型。行星并非理想黑體，但其熱輻射仍遵循這些基本規(guī)律。通過測量行星的輻射亮度或峰值波長，結合黑體模型，可以反推行星表面的有效溫度，這是理解行星能量平衡、大氣熱結構以及進行行星比較研究的基礎。2.解釋什么是大氣窗口，并列舉至少兩個對行星科學研究具有重要意義的大氣窗口及其對應的波段范圍。答：大氣窗口是指大氣對電磁波吸收相對較弱、允許電磁波穿透的波段范圍。在這些窗口，行星的輻射或反射的電磁波可以相對無阻地到達空間或地面探測器，是行星遙感觀測的關鍵區(qū)域。例如：可見光窗口（約0.4-0.7μm），用于觀測行星表面反照率和特征；紅外窗口（如1-5μm和8-14μm），用于探測大氣成分（水汽、CO?等）、溫度結構和云層；微波窗口（如1-10cm），用于探測大氣中的水汽、大氣環(huán)流以及行星內部的電離層和磁場。3.簡述光譜儀的基本工作原理。答：光譜儀的基本工作原理是將來自光源或物體的復色光分解成按波長（或頻率）順序排列的光譜。通常包括：①入射狹縫：收集光線；②準直系統(tǒng)（如透鏡或反射鏡）：將入射光束變?yōu)槠叫泄?；③分光元件：核心部分，如光柵（利用衍射）或棱鏡（利用色散），將不同波長的光按角度分離；④探測系統(tǒng)：接收分離后的單色光，如CCD或光電二極管陣列，將其轉換為電信號；⑤讀出系統(tǒng)：處理和顯示信號，形成光譜圖。4.為什么在分析行星紅外光譜時需要進行大氣校正？簡述一種基本的大氣校正方法。答：行星大氣會吸收、散射和發(fā)射紅外輻射，使得探測器接收到的紅外光譜是行星大氣頂層和表面輻射的綜合結果，其中包含了大氣自身的信息，而非表面信息。為了獲得行星表面的真實輻射特征（特別是大氣成分、溫度結構等），必須消除或校正大氣的影響。一種基本的大氣校正方法是使用行星大氣傳輸模型。該模型基于大氣成分、溫度和壓力分布等信息，計算大氣對不同波長紅外輻射的吸收和散射效應，從而從總觀測光譜中扣除大氣的影響，得到地表的真實光譜。四、計算題1.假設某黑體行星表面的溫度為300K。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律（σT?），計算該行星表面單位面積的總輻射功率（σ≈5.67×10??Wm?2K??）。解：根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律P=σT?P=(5.67×10??Wm?2K??)×(300K)?P=5.67×10??×81×10?P=4.60×103Wm?2答：該行星表面單位面積的總輻射功率約為4600W/m2。2.假設一束強度為I?的電磁波穿過某行星大氣層，經過距離d后強度減弱為I。已知大氣層的消光系數(shù)為α，請推導出描述電磁波強度隨距離衰減的公式，并說明公式中各符號的含義。解：根據(jù)Beer-Lambert定律，電磁波強度隨距離呈指數(shù)衰減。I=I?e^(-αd)其中：I?是電磁波在進入大氣層處的初始強度。I是電磁波穿過距離d后的強度。α是大氣層的消光系數(shù)，表征大氣層對電磁波的吸收和散射能力。d是電磁波穿過大氣層的距離。五、分析題1.假設你獲得了一張某系外行星的紅外光譜圖，圖中顯示在1.6μm附近有一個明顯的吸收峰，而在2.0μm附近則沒有明顯的吸收特征。請結合你對常見大氣成分紅外吸收特征的了解，分析該行星大氣可能的主要成分，并簡要說明你的理由。答：在紅外光譜中，特定的大氣成分會在其振動或轉動能級躍遷所對應的波長處產生吸收峰。1.6μm附近的吸收峰與水汽（H?O）在紅外波段的強吸收特征（尤其是在1.4-1.9μm區(qū)域）非常吻合。2.0μm附近沒有明顯吸收特征，表明該波段附近沒有強烈的吸收線，或者大氣中強吸收成分在此波段沒有特征吸收。因此，可以推斷該系外行星大氣中可能含有顯著量的水汽。同時，也需要考慮其他成分的吸收，但水汽是1.6μm附近最可能的候選者。2.比較類地行星和氣態(tài)巨行星在電磁波輻射特征（包括輻射波長范圍、主要輻射機制、典型光譜特征等）上的主要差異，并簡要解釋造成這些差異的原因。答：主要差異：1.輻射波長范圍：類地行星主要輻射在紅外波段（熱輻射為主），峰值波長較長。氣態(tài)巨行星除了紅外熱輻射，其大氣高層（如木星的極光）還會產生可見光和紫外輻射。2.主要輻射機制：類地行星的熱輻射主要來自表面和淺層大氣的熱傳導與對流。氣態(tài)巨行星的熱輻射主要來自厚厚的大氣層，內部熱量通過大氣傳導和對流傳遞。此外，氣態(tài)巨行星的磁