2025年大學(xué)《海洋科學(xué)》專業(yè)題庫——海洋科學(xué)在火星探測中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題5分，共20分）1.嗜熱菌2.火星極地水冰3.海洋遙感4.水下機器人（ROV/AUV）二、簡答題（每題10分，共30分）1.簡述海洋生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)穩(wěn)定性對理解火星潛在生態(tài)系統(tǒng)演化的啟示。2.比較地球海洋與火星表面的主要環(huán)境差異，并指出這些差異對生命探測可能產(chǎn)生的影響。3.簡述海洋聲學(xué)探測技術(shù)的基本原理，并探討其在未來火星水下（如果存在液態(tài)水）或地下探測中可能的應(yīng)用前景。三、論述題（每題20分，共40分）1.海洋沉積物記錄了地球環(huán)境的長期變化歷史，類比這一過程，論述研究火星表層沉積物或風(fēng)成地貌對于重建火星古代環(huán)境演化和評估其宜居性歷史的科學(xué)意義。2.選取一項具體的海洋觀測技術(shù)（如衛(wèi)星海洋學(xué)監(jiān)測、海洋浮標(biāo)陣列、深海采樣等），詳細(xì)闡述其核心技術(shù)原理，并分析將其應(yīng)用于火星探測任務(wù)（如大氣監(jiān)測、地表水探測、地質(zhì)采樣等）時可能面臨的挑戰(zhàn)以及潛在的改進方向。四、案例研究題（30分）假設(shè)“毅力號”火星車在耶澤羅撞擊坑發(fā)現(xiàn)了一處古代三角洲的沉積巖層，巖層中含有碳酸鹽礦物，并伴有微小的層理結(jié)構(gòu)。結(jié)合你對海洋沉積學(xué)知識的理解，分析這些發(fā)現(xiàn)可能提供了哪些關(guān)于遠(yuǎn)古火星環(huán)境（如水的存在狀態(tài)、能量來源、沉積過程等）的信息？請詳細(xì)說明你的分析依據(jù)和推理過程。試卷答案一、名詞解釋1.嗜熱菌：一類在高溫環(huán)境下（通常高于45°C，有些甚至超過110°C）能夠生長繁殖的微生物。它們廣泛分布于地球的深海熱液噴口、溫泉等極端熱環(huán)境。其特殊的酶系統(tǒng)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)使其能抵抗高溫。研究嗜熱菌的代謝機制和生存適應(yīng)性，有助于理解生命在極端環(huán)境下的可能性，為尋找火星等外星生命提供了生物學(xué)上的參考和思路，特別是如果火星過去或現(xiàn)在存在類似地球深海熱液噴口或溫泉的高溫環(huán)境。**解析思路：*定義核心特征（高溫），說明典型分布環(huán)境（地球極端熱環(huán)境），強調(diào)研究價值（極端生命形式，外星生命探測參考）。2.火星極地水冰：指存在于火星南北兩極蓋（冰帽）下的巨量水冰。這些水冰可能以固態(tài)冰或水-冰混合物的形式存在，被厚厚的塵埃或冰層覆蓋?；鹦菢O地水冰是火星水資源的重要儲庫，其含量、分布和穩(wěn)定性對于理解火星氣候演變、過去是否存在液態(tài)水以及評估火星宜居性具有關(guān)鍵意義。它是未來火星探測任務(wù)和載人登陸火星計劃可能的重要資源目標(biāo)（如飲用、生命支持、推進劑生產(chǎn)）。**解析思路：*定義對象（水冰），說明位置（極地蓋下），強調(diào)重要性（水資源儲庫，氣候演變，宜居性，資源）。3.海洋遙感：利用人造地球衛(wèi)星、飛機等平臺搭載的傳感器（如雷達、光學(xué)相機、紅外/微波輻射計等），對海洋表面和一定深度范圍內(nèi)的物理、化學(xué)、生物參數(shù)進行遠(yuǎn)距離、非接觸式探測和監(jiān)測的技術(shù)。它可以大范圍、周期性地獲取海面溫度、鹽度、海流、海浪、葉綠素濃度、懸浮泥沙、赤潮、海洋污染等信息，是現(xiàn)代海洋學(xué)研究和業(yè)務(wù)化應(yīng)用不可或缺的重要手段。**解析思路：*定義技術(shù)（遠(yuǎn)距離非接觸探測），說明平臺（衛(wèi)星、飛機等），列舉傳感器類型，說明應(yīng)用領(lǐng)域（物理化學(xué)生物參數(shù)），強調(diào)價值（大范圍周期性監(jiān)測）。4.水下機器人（ROV/AUV）：在水下進行探測、作業(yè)和采樣等任務(wù)的自主或遙控設(shè)備。ROV（RemotelyOperatedVehicle，遙控水下機器人）通常通過臍帶纜與水面母船連接，獲取能源和數(shù)據(jù)，并由操作員實時遙控；AUV（AutonomousUnderwaterVehicle，自主水下機器人）則具備獨立的導(dǎo)航、定位、任務(wù)規(guī)劃和決策能力，可以自主完成預(yù)設(shè)任務(wù)后返回。它們是深海和淺?？碧健⒖茖W(xué)研究、資源開發(fā)等領(lǐng)域的重要工具。**解析思路：*定義對象（水下探測作業(yè)設(shè)備），區(qū)分ROV和AUV的基本類型（遙控vs自主），簡述其核心功能（探測、作業(yè)、采樣），說明應(yīng)用領(lǐng)域。二、簡答題1.海洋生態(tài)系統(tǒng)中的食物網(wǎng)穩(wěn)定性通常依賴于物種多樣性、營養(yǎng)級聯(lián)的復(fù)雜性以及能量和物質(zhì)循環(huán)的效率與韌性。一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、物種多樣的食物網(wǎng)，如同一個“冗余度高”的系統(tǒng)，當(dāng)部分物種數(shù)量波動或受到外界干擾時，其他物種可以部分補償，使得整個系統(tǒng)不易崩潰。類比到火星，如果能在火星上發(fā)現(xiàn)類似地球海洋那樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有多種營養(yǎng)級聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)（哪怕是簡單的微生物生態(tài)系統(tǒng)），或者能通過分析火星環(huán)境（如土壤、沉積物）中的生物標(biāo)記物、同位素信號等，推斷出過去存在過這樣穩(wěn)定復(fù)雜的生命系統(tǒng)，將表明火星曾經(jīng)具備長期維持生命所需的穩(wěn)定環(huán)境和物質(zhì)循環(huán)條件，從而大大增加火星存在或曾經(jīng)存在生命的可能性。反之，如果火星生命形式單一、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱，則其抵御環(huán)境變化的能力可能很弱。**解析思路：*闡述海洋食物網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素（多樣性、復(fù)雜性、效率韌性）。將此特性與火星生命探測聯(lián)系起來（類比復(fù)雜穩(wěn)定系統(tǒng)=高宜居性，脆弱系統(tǒng)=低宜居性）。強調(diào)其指示意義（環(huán)境穩(wěn)定性、生命可能性）。2.地球海洋與火星表面的主要環(huán)境差異顯著，這對生命探測產(chǎn)生重要影響。首先，液態(tài)水：地球海洋表面和深層都存在廣泛的穩(wěn)定液態(tài)水，是生命存在的關(guān)鍵介質(zhì)?；鹦潜砻婺壳捌毡槿狈Ψ€(wěn)定液態(tài)水，大氣極其稀薄，表面壓力遠(yuǎn)低于水的三相點壓力，水易于升華或冰封。雖然火星極地有大量水冰，并可能存在季節(jié)性液態(tài)鹽水或間歇性洪水，但大規(guī)模、穩(wěn)定的液態(tài)水環(huán)境目前缺失。其次，大氣與壓力：地球擁有濃厚、富含氮氧的大氣，能調(diào)節(jié)溫度、輸送水汽、阻擋大部分有害輻射，并維持表面壓力使水保持液態(tài)。火星大氣極其稀?。ú坏降厍虻?%），主要由二氧化碳組成，無法有效保溫，溫度波動極大，輻射強烈，表面壓力極低。再次，溫度：地球海洋溫度相對溫和，從表層到深層有梯度變化，但大部分區(qū)域在冰點以上?；鹦潜砻鏈囟葮O低，平均零下63°C，晝夜溫差巨大，大部分地區(qū)常年被冰雪覆蓋。最后，化學(xué)成分與能源：地球海洋化學(xué)成分相對穩(wěn)定，生命通過光合作用（依賴陽光）和化能合成（依賴化學(xué)能，如熱液噴口）獲取能量?；鹦潜砻嫒狈σ撰@取的有機物和液態(tài)水，能量來源（如陽光強度、地質(zhì)活動）也可能與地球不同。這些差異意味著，如果火星上存在生命，其形態(tài)、代謝方式和棲息環(huán)境可能與我們熟知的海洋生命截然不同，甚至完全依賴于我們意想不到的條件（如極端壓力、溫度、輻射下的代謝途徑）。因此，在火星探測中，需要針對這些獨特環(huán)境特征設(shè)計探測策略和生命指標(biāo)。**解析思路：*列舉核心差異（液態(tài)水、大氣壓力、溫度、化學(xué)能源）。逐一分析每個差異點。強調(diào)這些差異對生命形式的潛在影響（形態(tài)代謝棲息環(huán)境不同）。指出火星生命探測的挑戰(zhàn)性（需要針對性策略和指標(biāo)）。3.海洋聲學(xué)探測技術(shù)主要利用聲波（特別是低頻聲波）在水介質(zhì)中的傳播、反射、折射、散射和衰減等物理特性來探測水下目標(biāo)、環(huán)境參數(shù)和進行通信。其基本原理包括：聲納（SONAR）利用聲波的發(fā)射和回波接收來探測和定位目標(biāo)（如魚群、潛艇、海底地形）；聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）利用多普勒效應(yīng)測量水體流速；聲學(xué)成像技術(shù)利用聲束掃描形成水下場景圖像；聲學(xué)層析成像利用聲波在介質(zhì)中的傳播路徑變化來探測介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或參數(shù)（如溫度、密度分布）。將這些技術(shù)應(yīng)用于火星探測具有巨大潛力：對于火星地下探測，聲波穿透能力強，可以用來探測地下結(jié)構(gòu)、冰層厚度、熔巖管、含水層或潛在的地下湖/海洋（如果存在），這是雷達等電磁波探測難以穿透的介質(zhì)。對于火星地表（如有液態(tài)水）探測，聲學(xué)可以像在水下一樣探測水體的存在、流動、冰層結(jié)構(gòu)等。對于火星大氣探測，雖然聲波在真空中無法傳播，但在火星稠密的大氣層中，聲學(xué)探測（如監(jiān)測風(fēng)聲、塵暴聲學(xué)特征）可能提供大氣動力學(xué)信息。挑戰(zhàn)在于火星大氣密度、成分與地球海洋顯著不同，會極大地影響聲波的傳播速度和衰減特性，需要開發(fā)適應(yīng)火星環(huán)境的聲學(xué)換能器和信號處理算法。此外，如何在火星表面部署和運行聲學(xué)設(shè)備（如固定式換能器陣列、集成在火星車或無人機上的發(fā)射器）也是需要考慮的問題。但其穿透能力強、受光照和電磁干擾小的特點，使其在探索火星內(nèi)部和潛在水下環(huán)境方面具有獨特優(yōu)勢。**解析思路：*首先解釋海洋聲學(xué)基本原理（聲波特性應(yīng)用）。列舉具體技術(shù)及其功能。然后探討應(yīng)用前景（地下探測、地表水探測、大氣探測）。最后指出應(yīng)用時面臨的挑戰(zhàn)（大氣影響、設(shè)備部署）和優(yōu)勢（穿透力、抗干擾）。三、論述題1.海洋沉積物是地球漫長地質(zhì)歷史時期各種物質(zhì)（生物遺骸、巖石碎屑、化學(xué)沉淀物等）在海洋環(huán)境中搬運、沉積和轉(zhuǎn)化形成的記錄層。它們像一本“史書”，詳細(xì)記錄了古海洋環(huán)境（如古氣候、古海洋環(huán)流、生物演替、火山活動、構(gòu)造運動等）的變遷信息。類比這一過程，研究火星表層沉積物或風(fēng)成地貌對于重建火星古代環(huán)境演化和評估其宜居性歷史具有極其重要的科學(xué)意義。首先，沉積物的類型和分布可以揭示古代火星的水環(huán)境：例如，三角洲沉積物表明存在過河流和湖泊系統(tǒng)；沖積扇和扇三角洲指示了快速水流和可能的構(gòu)造活動或氣候變化；層理結(jié)構(gòu)（尤其是交錯層理）反映了水動力條件（如波浪、洋流或風(fēng)成作用）。其次，沉積物的成分（如礦物學(xué)、化學(xué)元素、同位素組成）可以提供關(guān)于古代大氣成分、氣候條件、水體化學(xué)性質(zhì)以及生物活動（如有）的線索。例如，特定礦物的形成需要特定的溫度、壓力和化學(xué)環(huán)境；某些元素或同位素的比值可以指示水體的蒸發(fā)-降水循環(huán)、火山活動強度或生物吸收作用。再次，沉積巖層的接觸關(guān)系和變形特征（如不整合面、斷層、褶皺）則記錄了火星構(gòu)造演化和地質(zhì)事件（如火山噴發(fā)、地殼抬升、氣候突變）的順序和性質(zhì)。通過系統(tǒng)性地研究這些沉積記錄，科學(xué)家可以逐步拼湊出火星從早期形成到現(xiàn)在的環(huán)境演變故事，識別出可能存在過宜居條件的窗口期和具體地點，為后續(xù)的著陸探測和樣本分析提供科學(xué)目標(biāo)，并最終評估火星在整個太陽系中作為生命棲息地的潛力。**解析思路：*闡述海洋沉積物記錄地球環(huán)境變遷的核心作用。將此核心作用類比到火星。分點論述沉積物如何揭示火星古代環(huán)境信息（水環(huán)境特征、大氣氣候線索、生物活動痕跡、構(gòu)造演化事件）。強調(diào)其綜合應(yīng)用價值（重建環(huán)境史、識別宜居期、指導(dǎo)后續(xù)探測）。2.選取衛(wèi)星海洋學(xué)監(jiān)測技術(shù)作為例子。其核心技術(shù)原理主要基于遙感，利用衛(wèi)星搭載的傳感器（如合成孔徑雷達SAR、光學(xué)成像儀、紅外/微波輻射計等）從空間遙測地球海洋表面和近表層的信息。例如，SAR通過探測海面微波散射回波來繪制海面風(fēng)場、監(jiān)測海浪、探測海冰和油污；光學(xué)成像儀通過捕捉海面水體顏色（葉綠素濃度）、表面溫度等信息來研究海洋生態(tài)系統(tǒng)和熱狀況；輻射計通過測量海面紅外或微波輻射來反演海面溫度、海面風(fēng)應(yīng)力等。將這些原理應(yīng)用于火星探測時，可以考慮利用未來可能部署的火星軌道器進行大氣監(jiān)測：類似SAR監(jiān)測海面風(fēng)浪，可以嘗試用雷達或微波傳感器監(jiān)測火星大氣中的塵埃（揚塵）分布、風(fēng)場特征、云層結(jié)構(gòu)甚至火山灰云的演變；類似光學(xué)成像儀監(jiān)測海色，可以嘗試用可見光或近紅外相機監(jiān)測火星表面顏色變化（可能與礦物分布、風(fēng)蝕/風(fēng)積地貌、季節(jié)性覆蓋物有關(guān)），或探測大氣中的氣溶膠、云層；類似輻射計監(jiān)測海溫，可以嘗試用紅外輻射計監(jiān)測火星表面溫度場分布、極區(qū)水冰云的溫度特征、大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)等?？赡苊媾R的挑戰(zhàn)包括：火星大氣成分（主要是CO2，且稀薄）、氣壓、溫度范圍、光照條件（距離太陽遠(yuǎn)近、沙塵天氣影響）與地球海洋環(huán)境截然不同，會顯著改變電磁波與火星大氣/表面的相互作用，導(dǎo)致傳感器需要特殊設(shè)計或現(xiàn)有算法失效?；鹦潜砻娌⒎撬w，缺乏海面反照率、溫度等直接類比參數(shù)，需要開發(fā)新的反演模型。火星缺乏明顯的海洋生態(tài)系統(tǒng)，光學(xué)遙感監(jiān)測葉綠素等指標(biāo)的適用性受限。潛在的改進方向在于開發(fā)專門針對火星特殊環(huán)境（大氣、地表）的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法。例如，改進雷達散射模型以適應(yīng)火星低密度大氣；開發(fā)抗沙塵影響的光學(xué)成像和光譜處理技術(shù)；建立基于火星地質(zhì)和氣象特征的輻射傳輸模型，精確反演大氣和地表參數(shù)；探索利用多波段、多傳感器信息融合來提高監(jiān)測精度和覆蓋范圍。**解析思路：*選擇具體技術(shù)（衛(wèi)星海洋學(xué)）。清晰闡述其核心原理（遙感傳感器及其功能）。將原理逐一映射到火星探測的具體應(yīng)用場景（大氣監(jiān)測：風(fēng)場、塵埃、云、表面顏色、溫度）。分析應(yīng)用火星時遇到的主要挑戰(zhàn)（大氣環(huán)境差異、缺乏類比參數(shù)）。提出可能的解決方案和改進方向（特殊傳感器、新算法、模型開發(fā)、信息融合）。四、案例研究題發(fā)現(xiàn)耶澤羅撞擊坑古代三角洲的沉積巖層，其中含有碳酸鹽礦物并伴有微小的層理結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)蘊含著豐富的關(guān)于遠(yuǎn)古火星環(huán)境的潛在信息。首先，三角洲沉積本身是水環(huán)境（河流輸入與水體排泄）相互作用形成的典型地貌標(biāo)志。它的存在直接證明了在撞擊坑內(nèi)曾存在一個古湖泊或潟湖環(huán)境，并且有河流從外部攜帶沉積物進入湖泊。這表明遠(yuǎn)古火星該區(qū)域具備液態(tài)水的存在條件（至少在特定時期）和一定的水循環(huán)過程（降水、徑流）。其次，碳酸鹽礦物的形成通常需要相對穩(wěn)定的環(huán)境條件，如合適的pH值、溫度和一定的化學(xué)物質(zhì)（鈣、碳、水）。在早期火星環(huán)境下，碳酸鹽的形成可能受到多種因素影響，例如：火山活動釋放的二氧化