2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——行星大氣化學(xué)成分演化規(guī)律研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種氣體在地球大氣中含量最高？()A.氧氣(O?)B.氮?dú)?N?)C.二氧化碳(CO?)D.氬氣(Ar)2.導(dǎo)致火星大氣主要成分從早期可能的CO?/N?轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前以CO?為主的稀薄大氣的主要原因是？()A.地質(zhì)活動(dòng)劇烈導(dǎo)致大量氮?dú)猱a(chǎn)生B.強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線剝離了輕元素氣體C.水的蒸發(fā)帶走了大量大氣成分D.植物光合作用吸收了幾乎所有的氮?dú)?.“溫室效應(yīng)”主要是指哪種氣體吸收了地球向外輻射的長(zhǎng)波輻射，導(dǎo)致地球表面溫度升高的現(xiàn)象？()A.氮?dú)?N?)B.氧氣(O?)C.氬氣(Ar)D.二氧化碳(CO?)4.與地球相比，金星表面極其炎熱的主要原因是？()A.金星接收的太陽(yáng)輻射更多B.金星大氣層極厚，且富含高效的溫室氣體CO?C.金星自轉(zhuǎn)速度非常快D.金星核心放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量更多5.以下哪種過(guò)程主要導(dǎo)致類地行星（如地球、火星）失去其原始大氣中的輕元素氣體（如氫、氦）？()A.火山噴發(fā)B.小行星和彗星撞擊C.太陽(yáng)風(fēng)沖擊D.大氣內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)6.木星大氣中主要的成分是？()A.氮?dú)夂脱鯕釨.氬氣和氖氣C.氫氣和氦氣D.二氧化碳和水蒸氣7.在行星科學(xué)中，利用大氣中特定同位素的比例變化來(lái)推斷過(guò)去大氣演化歷史的方法稱為？()A.大氣光譜分析B.同位素示蹤C(jī).大氣環(huán)流模擬D.直接采樣分析8.行星大氣的形成與該行星的什么參數(shù)密切相關(guān)？()A.軸傾角B.軌道離心率C.質(zhì)量D.自轉(zhuǎn)速度9.下列哪個(gè)天體被認(rèn)為可能擁有活躍的甲烷循環(huán)，但其機(jī)制與地球的顯著不同？()A.地球B.火星C.天王星D.土衛(wèi)六（泰坦）10.探測(cè)系外行星大氣成分的主要技術(shù)手段是？()A.直接成像B.射電干涉測(cè)量C.光譜分析（如凌日法）D.距離測(cè)量二、名詞解釋（每題3分，共15分。請(qǐng)給出簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的概念定義）1.大氣沖擊剝離2.熱剝離3.溫室氣體4.大氣同位素分餾5.行星宜居帶三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述地球早期大氣與現(xiàn)在大氣的主要成分差異及其可能的來(lái)源。2.解釋什么是“氣體逃逸”？影響氣體逃逸的主要因素有哪些？3.為什么說(shuō)火星大氣演化的研究對(duì)于理解地球大氣演化和宜居性具有重要意義？4.簡(jiǎn)述土衛(wèi)二（恩克拉多斯）冰下海洋存在的證據(jù)，以及這些證據(jù)如何與大氣成分演化相關(guān)聯(lián)。四、論述題（每題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問(wèn)題）1.試述導(dǎo)致金星、地球和火星大氣演化路徑差異的關(guān)鍵因素，并分析這些差異反映了它們各自不同的行星演化歷史。2.結(jié)合具體實(shí)例（如地球、火星、木星或土衛(wèi)六），論述行星大氣成分可以作為指示行星宜居性歷史的重要信息來(lái)源。3.當(dāng)前研究認(rèn)為，金星經(jīng)歷了從宜居到極端狀態(tài)的過(guò)程。請(qǐng)分析可能導(dǎo)致金星大氣急劇變化的關(guān)鍵機(jī)制，并討論這些機(jī)制對(duì)于理解其他行星（包括地球的未來(lái)）大氣演化有何啟示。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.D4.B5.C6.C7.B8.C9.D10.C二、名詞解釋1.大氣沖擊剝離：指在行星形成早期，強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)或星際介質(zhì)流以高速?zèng)_擊行星大氣，將大氣中的輕元素氣體（如氫、氦）直接吹散到太空中。2.熱剝離：指當(dāng)行星（特別是類地行星）接受到足夠強(qiáng)的外部熱源（如早期太陽(yáng)輻射、小行星撞擊）或內(nèi)部熱源（放射性元素衰變）時(shí)，行星表面的溫度升高，導(dǎo)致大氣中的輕分子氣體（如水蒸氣、氨氣）分解為原子態(tài)氣體（如氫、氧），這些原子態(tài)氣體更容易被太陽(yáng)輻射或磁場(chǎng)加速后逃逸到太空的過(guò)程。3.溫室氣體：指能夠吸收并重新輻射紅外輻射（熱量）的氣體，從而導(dǎo)致行星表面溫度升高的氣體。常見(jiàn)的溫室氣體包括二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）、水蒸氣（H?O）、氧化亞氮（N?O）等。4.大氣同位素分餾：指在物理或化學(xué)過(guò)程中，不同同位素（同一元素的不同中子數(shù)原子）在分布上發(fā)生分離的現(xiàn)象。大氣演化過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)、相變（如冷凝、蒸發(fā)）等都會(huì)導(dǎo)致同位素分餾，利用這一現(xiàn)象可以追溯大氣成分的來(lái)源和演化歷史。5.行星宜居帶：指圍繞恒星運(yùn)行、理論上允許行星表面存在穩(wěn)定液態(tài)水的軌道范圍。行星是否位于宜居帶是判斷其潛在宜居性的一個(gè)重要指標(biāo)，但并非唯一條件。三、簡(jiǎn)答題1.地球早期大氣：主要成分可能是還原性氣體，如甲烷（CH?）、氨氣（NH?）、水蒸氣（H?O）、二氧化碳（CO?）等，可能還含有少量硫化氫（H?S）。主要來(lái)源被認(rèn)為是火山噴發(fā)和原始行星凝聚物釋放的氣體?，F(xiàn)在大氣：主要成分是氮?dú)猓s78%）和氧氣（約21%），還含有少量氬氣、二氧化碳、水蒸氣、氖、氦等。氮?dú)庵饕獊?lái)自早期大氣積累和生物作用（如早期藍(lán)細(xì)菌的光合作用），氧氣則主要是由綠色植物和微生物通過(guò)光合作用產(chǎn)生。成分差異反映了地球內(nèi)部活動(dòng)、大氣剝離、生物演化和太陽(yáng)風(fēng)等多種因素的共同作用。2.氣體逃逸：指大氣中的氣體分子克服行星引力，進(jìn)入行星磁層或直接進(jìn)入太空的過(guò)程。主要機(jī)制包括：熱逃逸（氣體分子被加熱到足夠高的能量克服引力）、沖擊逃逸（太陽(yáng)風(fēng)等離子體高速?zèng)_擊行星大氣頂，將氣體分子彈出）、電荷剝離（行星磁層或太陽(yáng)風(fēng)將氣體分子電離，隨后被磁場(chǎng)帶離）。影響氣體逃逸的主要因素包括：氣體分子質(zhì)量（質(zhì)量越小越容易逃逸）、行星引力（質(zhì)量越大引力越大越難逃逸）、行星磁場(chǎng)強(qiáng)度（強(qiáng)磁場(chǎng)能有效阻擋太陽(yáng)風(fēng)沖擊和電荷剝離）、行星表面溫度（溫度越高越有利于熱逃逸）、太陽(yáng)活動(dòng)水平（太陽(yáng)風(fēng)強(qiáng)度影響沖擊逃逸）。3.研究意義：火星和地球同為類地行星，但當(dāng)前大氣狀態(tài)差異巨大。研究火星大氣如何從早期相對(duì)稠密（可能與地球早期類似）演變?yōu)榻裉煜”〉臓顟B(tài)，有助于我們理解影響大氣穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素（如太陽(yáng)活動(dòng)、行星磁場(chǎng)、地質(zhì)活動(dòng)、生物作用等）。這為反推地球大氣的歷史演變提供了參照系，幫助我們理解地球?yàn)楹文芫S持宜居大氣，以及這種宜居環(huán)境是否是偶然或普遍存在的。通過(guò)對(duì)比，可以更深刻地認(rèn)識(shí)行星演化的普遍規(guī)律和特殊性。4.證據(jù)與關(guān)聯(lián)：土衛(wèi)二（恩克拉多斯）存在活躍冰下海洋的證據(jù)包括：持續(xù)的地質(zhì)活動(dòng)（“虎紋”地形、冰火山噴發(fā)）、探測(cè)到的水蒸氣羽流（包含冰粒和塵埃）、冰殼表面形貌特征、重力數(shù)據(jù)與磁力數(shù)據(jù)（表明下方存在液態(tài)水層）。這些證據(jù)表明土衛(wèi)二擁有活躍的內(nèi)部熱源（放射性元素衰變?yōu)橹?，可能輔以潮汐加熱）。大氣成分演化與這些證據(jù)關(guān)聯(lián)在于：冰火山噴發(fā)將冰下海洋中的物質(zhì)（水、鹽分、溶解氣體如甲烷、氨等）帶到地表，形成了觀測(cè)到的水蒸氣羽流和冰殼表面的物質(zhì)沉積。通過(guò)分析這些噴發(fā)物的成分（特別是揮發(fā)性物質(zhì)和同位素組成），可以反推冰下海洋的化學(xué)性質(zhì)、形成時(shí)間、與外界的物質(zhì)交換歷史，進(jìn)而揭示土衛(wèi)二乃至整個(gè)柯伊伯帶天體的演化和潛在宜居性。四、論述題1.關(guān)鍵因素與歷史反映：*地球：保留了較厚的大氣層，氮氧主導(dǎo)，存在活躍水圈和生物圈。關(guān)鍵因素是巨大的質(zhì)量（產(chǎn)生強(qiáng)引力留住大氣）、全球性磁場(chǎng)（偏轉(zhuǎn)太陽(yáng)風(fēng)，保護(hù)大氣）、活躍的地質(zhì)活動(dòng)（提供大氣成分來(lái)源和調(diào)節(jié)氣候）、早期生物光合作用（產(chǎn)生氧氣）。反映了地球內(nèi)部演化、宜居環(huán)境和生命起源相互耦合的演化路徑。*火星：大氣極其稀薄，以CO?為主。關(guān)鍵因素是較小的質(zhì)量（引力不足以留住輕元素氣體）、逐漸減弱的全球磁場(chǎng)（無(wú)法有效阻擋太陽(yáng)風(fēng)沖擊，導(dǎo)致熱剝離和沖擊剝離）、內(nèi)部冷卻和地質(zhì)活動(dòng)減弱（失去了火山噴發(fā)等大氣補(bǔ)充來(lái)源）。反映了行星冷卻、磁場(chǎng)消失對(duì)大氣長(zhǎng)期演化的決定性影響。*金星：擁有極厚的大氣層，主要是CO?，表面溫度極高。關(guān)鍵因素是巨大的質(zhì)量（能維持厚大氣層）和極其強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)（大氣中高濃度的CO?對(duì)紅外輻射的強(qiáng)烈吸收）。反映了即使有足夠引力留住大氣，但如果大氣成分和能量平衡失控（如強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)），也會(huì)導(dǎo)致極端氣候狀態(tài)。*差異反映：這些差異主要反映了行星形成時(shí)的初始條件（如質(zhì)量、軌道位置）、形成和演化過(guò)程中的內(nèi)部熱狀態(tài)（地質(zhì)活動(dòng)、放射性元素）、外部環(huán)境（太陽(yáng)活動(dòng)、軌道參數(shù)變化、磁場(chǎng)存在與否）以及是否誕生和演生了生命等多種因素的綜合作用。它們各自的歷史路徑展示了行星演化的多樣性和復(fù)雜性。2.大氣成分與宜居性歷史：*地球：地球大氣中氧氣含量的變化歷史（如大氧化事件）是生命演化和大氣演化的關(guān)鍵耦合事件。氧氣含量的增加不僅標(biāo)志著生命的出現(xiàn)和繁榮，也改變了大氣成分和氣候。大氣中甲烷含量的波動(dòng)可以反映古代生物活動(dòng)和氣候反饋循環(huán)。這些成分變化記錄在巖石（如疊層石、同位素記錄）和冰芯中，是研究地球宜居性歷史的重要證據(jù)。*火星：火星大氣中CO?濃度的高分辨率探測(cè)（如Curiosity研究站）以及過(guò)去存在液態(tài)水（含鹽）的證據(jù)（如三角洲沉積物），暗示火星過(guò)去可能具有更強(qiáng)的溫室效應(yīng)和更宜居的環(huán)境，但大氣演化導(dǎo)致其失去了大部分大氣和液態(tài)水。大氣成分的演變指示了火星從可能宜居到逐漸變得不適宜的演化路徑。*系外行星：通過(guò)凌日法探測(cè)到的系外行星大氣成分（如水蒸氣、甲烷、氨氣等），“指紋”特征可以告訴我們這些行星的大氣組成、可能的來(lái)源（如巖石成因或冰凍成因）以及是否存在溫室效應(yīng)。雖然目前大多只能探測(cè)到“熱木星”，但其大氣成分演化的研究有助于我們理解行星形成和演化的普遍規(guī)律，并為尋找潛在宜居行星提供判斷依據(jù)。大氣成分成為追溯行星宜居歷史（包括過(guò)去宜居性和當(dāng)前宜居性）的“鑰匙”。3.金星大氣演化機(jī)制與啟示：*關(guān)鍵機(jī)制：*失控的溫室效應(yīng)：金星擁有巨量CO?（大氣壓約為地球的92倍），其強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)導(dǎo)致太陽(yáng)輻射被高度吸收，熱量無(wú)法有效散失，表面溫度高達(dá)約460°C。*缺乏有效的碳循環(huán)緩沖機(jī)制：地球存在活躍的碳循環(huán)（大氣CO?與海洋、巖石圈之間的交換），能夠調(diào)節(jié)大氣CO?濃度。金星可能缺乏類似的、能夠有效消耗和儲(chǔ)存CO?的地球系統(tǒng)過(guò)程，導(dǎo)致一旦大氣CO?濃度升高，溫室效應(yīng)會(huì)持續(xù)增強(qiáng)，形成正反饋回路。*可能存在的早期水損失：有理論認(rèn)為，金星早期可能存在過(guò)液態(tài)水，但可能因強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射或大氣環(huán)流而被迅速蒸發(fā)和損失，失去了類似地球的“濕度調(diào)節(jié)器”和參與碳循環(huán)的水分。*軌道參數(shù)變化：一些模型認(rèn)為，金星軌道參數(shù)在早期可能經(jīng)歷過(guò)劇烈變化，導(dǎo)致其接受太陽(yáng)輻射量發(fā)生劇變，可能觸發(fā)或加劇了溫室效應(yīng)的失控。*啟示：*溫室效應(yīng)的極端性：即使溫室效應(yīng)本身是維持行星宜居性的必要條件，其強(qiáng)度和失控機(jī)制是決定氣候狀態(tài)的關(guān)鍵。過(guò)強(qiáng)的溫室效應(yīng)可能導(dǎo)致“失控地獄”狀態(tài)，如金星所示。*地球系統(tǒng)的脆弱性與穩(wěn)定性：地球的宜居性依賴于一系列地球系統(tǒng)（大氣、海洋、陸地、生物圈、磁場(chǎng)）