2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——太陽系外的行星大氣成份分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述太陽系外行星大氣成分分析的幾種主要方法，并比較它們在探測精度和適用性方面的主要差異。二、解釋什么是分子振動-轉(zhuǎn)動光譜，并說明為何這種光譜在探測太陽系外行星大氣水蒸氣（H?O）等關(guān)鍵成分時特別有效。三、描述在利用凌日法探測系外行星大氣時，行星大氣對宿主恒星光譜產(chǎn)生吸收的物理過程。指出這種方法主要能獲取哪些大氣信息。四、列舉至少三種在太陽系外行星大氣中發(fā)現(xiàn)的可能與生命相關(guān)的生物標記物分子，并簡述選擇這些分子作為潛在生物標記物的理由。五、討論當前太陽系外行星大氣成分分析面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，例如儀器分辨率、星際介質(zhì)干擾等方面的問題，并提出可能的應(yīng)對策略。六、假設(shè)你獲得了一組模擬的系外行星（類似于地球質(zhì)量）在紅外波段（例如15微米附近）的Transmission光譜數(shù)據(jù)，其中顯示出一個明顯的、對稱的吸收譜線。請解釋這組數(shù)據(jù)可能揭示了該行星大氣的哪種主要成分，并簡述你做出此推斷的依據(jù)。七、比較直接成像法和凌日法在探測系外行星大氣成分方面各自的優(yōu)勢和局限性。在哪種類型的系外行星系統(tǒng)（例如，類日恒星系統(tǒng)vs.褐矮星系統(tǒng)）中，直接成像法可能更具優(yōu)勢？八、描述一個簡化的光化學模型如何被用于模擬系外行星大氣中某種簡單有機分子（如甲烷CH?）的形成過程。指出模型需要輸入哪些關(guān)鍵參數(shù)，并說明該模型在預測大氣成分時存在的局限性。九、闡述大氣反演過程中“紅移”和“藍移”現(xiàn)象可能對應(yīng)的大氣物理狀態(tài)變化，并說明這些現(xiàn)象是如何幫助科學家理解行星大氣動力學結(jié)構(gòu)的。十、概述當前利用系外行星大氣研究行星形成和演化的主要科學目標，并舉例說明大氣成分分析在其中扮演的角色。試卷答案一、主要方法包括：凌日法（TransitMethod）、次級eclipse法（EclipseMethod）、直接成像光譜法（DirectImagingSpectroscopy）、脈沖星計時法（PulsarTimingArray，用于探測巨型系外行星大氣）。差異：*凌日法：精度較高，尤其對近地軌道行星，能獲得大氣成分、溫度、壓力的精確反演；但只能對少數(shù)幸運的、與宿主星成角度的行星進行觀測，且易受系外行星衛(wèi)星干擾。*次級eclipse法：與凌日法類似，但觀測條件更苛刻，對行星軌道和星系結(jié)構(gòu)要求更高。*直接成像光譜法：可觀測任何位置的行星，獲取更全面的光譜信息，尤其適合研究氣態(tài)巨行星和褐矮星大氣；但受限于高分辨率成像技術(shù)難度，信噪比通常較低，對近系外行星大氣探測困難。*脈沖星計時法：主要用于探測極其巨大的系外行星（氣態(tài)巨行星及褐矮星）大氣，精度極高；但探測對象和范圍有限。二、分子振動-轉(zhuǎn)動光譜是指分子中原子核（主要是質(zhì)子和氘核）圍繞分子鍵軸的轉(zhuǎn)動以及化學鍵的振動所產(chǎn)生的吸收或發(fā)射光譜。有效性原因：1.水蒸氣（H?O）分子具有非對稱性，其振動和轉(zhuǎn)動躍遷在紅外和微波波段產(chǎn)生豐富的譜線。2.這些譜線對溫度和壓力敏感，通過分析譜線特征可以反推大氣溫度、壓力結(jié)構(gòu)。3.H?O是行星大氣中重要的溫室氣體和揮發(fā)物，其豐度與行星的氣候、水循環(huán)和潛在宜居性密切相關(guān)。4.紅外波段相對容易穿透行星大氣到達地球，使得地面和空間望遠鏡能有效觀測。三、物理過程：當系外行星從其宿主恒星前方經(jīng)過時，行星大氣層會遮擋住部分恒星光線。來自恒星不同區(qū)域（譜面）的光線穿過不同厚度和成分的行星大氣層，導致特定波長的光被大氣中的吸收分子（如水、二氧化碳等）吸收，從而在恒星光譜上產(chǎn)生吸收線。獲取信息：主要可以獲取行星大氣的組成成分（通過識別吸收譜線的特征）、大氣溫度（通過譜線輪廓寬度和形狀）、大氣壓力（通過譜線強度和寬度）、大氣柱豐度等信息。此外，還可以間接推斷行星的半徑和軌道傾角。四、潛在生物標記物分子包括：氧氣（O?）、臭氧（O?）、甲烷（CH?）、硫化氫（H?S）、磷化氫（PH?）、氨（NH?）等。理由：1.這些分子通常在地外非生物過程中豐度很低或不存在（如O?,PH?,H?S在紫外輻射下易分解）。2.其中一些分子（如O?,O?,CH?）是地球大氣中光合作用和呼吸作用的產(chǎn)物，與生命活動密切相關(guān)。3.它們的光譜特征清晰，在現(xiàn)有望遠鏡分辨率下有可探測性。4.這些分子的共存或特定豐度比值可能構(gòu)成更強的生命指示信號（如O?與CH?的“紅色邊帶”）。五、主要技術(shù)挑戰(zhàn)：1.儀器分辨率不足：現(xiàn)有望遠鏡和光譜儀難以分辨來自行星大氣微弱信號與宿主恒星強光、星際介質(zhì)散射光之間的精細光譜結(jié)構(gòu)。2.星際介質(zhì)干擾：星際塵埃和氣體會吸收和散射星光，產(chǎn)生背景噪聲，掩蓋行星大氣信號。3.恒星活動噪聲：恒星的耀斑、黑子等活動會產(chǎn)生變化的譜線，干擾行星大氣信號的提取。4.行星大氣本身不透明或云層覆蓋：部分行星大氣高層不透明，或存在厚云層，阻礙對低層大氣的觀測。5.缺乏完整的行星大氣模型：精確反演大氣參數(shù)需要復雜且可靠的大氣模型，但目前模型仍有諸多簡化。應(yīng)對策略：1.發(fā)展更高分辨率、更高信噪比的光譜儀。2.選擇遠離星際塵埃云、位于低金屬豐度星場的行星系統(tǒng)。3.利用長時間基線觀測，平均掉恒星活動噪聲。4.探測氣態(tài)巨行星和褐矮星，其大氣較厚，信號更強。5.發(fā)展更精確、考慮更多物理化學過程的大氣模型。6.結(jié)合多種探測方法（如凌日法、直接成像法、雷達法）進行綜合分析。六、推斷成分：該行星大氣可能含有顯著豐度的二氧化碳（CO?）。依據(jù)：1.在紅外波段（如15微米附近）有一個明顯的、對稱的吸收譜線，表明存在對紅外光有強吸收作用的特定分子。2.CO?分子在紅外區(qū)域有特征性的、對稱的吸收峰，其位置和形狀（如果提供信息）與觀測到的譜線相符。3.CO?的豐度可以通過譜線強度和大氣模型進行反演。4.CO?是一種重要的溫室氣體，其存在通常意味著行星具有一定的表面溫度，并且可能存在碳循環(huán)過程。七、優(yōu)勢與局限性：直接成像法：優(yōu)勢：可觀測任何位置的行星，獲取完整光譜信息，適合研究氣態(tài)巨行星、褐矮星大氣，能探測行星磁場、環(huán)系、衛(wèi)星等。局限性：對高分辨率成像技術(shù)要求極高，信噪比低（尤其對近系外行星），易受背景星光和星際介質(zhì)干擾，觀測時間通常較長。凌日法：優(yōu)勢：精度高，能直接測量大氣參數(shù)（成分、溫度、壓力），對近地軌道行星觀測條件好。局限性：只能對與宿主星成角度的少數(shù)行星觀測，易受系外行星衛(wèi)星干擾，難以獲取全球大氣信息。優(yōu)勢比較：直接成像法視野更廣，能提供系統(tǒng)整體信息；凌日法對單顆行星大氣參數(shù)測量更精確。局限性比較：凌日法觀測對象受限；直接成像法技術(shù)難度大，信噪比低。優(yōu)勢環(huán)境：直接成像法在探測類日恒星系統(tǒng)中的氣態(tài)巨行星或褐矮星時更具優(yōu)勢，因為這類天體信號相對較強，且凌日事件相對更容易觀測。八、簡化光化學模型描述：模型通過設(shè)定大氣初始組成、溫度、壓力、以及輸入的太陽紫外輻射（或其他能量來源）強度，模擬大氣中各種化學物質(zhì)的反應(yīng)過程。例如，模擬CH?的形成，模型會包含CH?的合成路徑（如CO+H+M→CH?+M→CH?）和分解路徑（如CH?+UV→CH?+H），其中M代表第三體分子。需要輸入的關(guān)鍵參數(shù)：大氣初始化學成分、溫度隨高度的分布、壓力隨高度的分布、太陽紫外輻射通量（或各波段輻射強度）、化學反應(yīng)速率常數(shù)、重要反應(yīng)物（如H,CO,CH?）的初始豐度等。局限性：1.模型通常是簡化的，忽略了某些復雜反應(yīng)路徑或大氣動力學過程。2.化學反應(yīng)速率常數(shù)可能存在不確定性。3.模型難以完全模擬不穩(wěn)定性、湍流等隨機過程。4.需要準確的輸入?yún)?shù)（如紫外輻射通量），而實際輻射可能隨時間和空間變化。5.模型預測與觀測結(jié)果可能存在偏差，需要不斷修正和完善。九、紅移和藍移現(xiàn)象：紅移（Redshift）：指吸收譜線相對于其實驗室基準位置的向長波方向移動。在大氣反演中，譜線紅移通常對應(yīng)于大氣逆溫層（溫度隨高度增加）或遠離行星中心區(qū)域。這表明大氣以一定速度相對于觀測方向向外擴散或遠離行星中心運動。藍移（Blueshift）：指吸收譜線相對于其實驗室基準位置的向短波方向移動。在大氣反演中，譜線藍移通常對應(yīng)于大氣對流層（溫度隨高度降低）中的上升氣流或靠近行星中心區(qū)域。這表明大氣以一定速度相對于觀測方向向內(nèi)匯聚或向行星中心運動。作用：通過分析譜線的紅移和藍移特征，可以推斷行星大氣垂直方向上的運動模式（如對流、平流）、溫度梯度分布以及大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)。十、主要科學目標：1.識別潛在的生命生物標記物分子，探索系外行星的宜居性。2.研究行星形成和早期演化過程中大氣包層的剝離機制。3.比較不同類型行星（同型行星、巖石行星、氣態(tài)巨行星）的大氣成分和結(jié)構(gòu)差異，理解其形成和演化的共同規(guī)律與獨特性。4.探究行星大氣與行星軌道、恒星性質(zhì)之間的耦合關(guān)系。5.利用大氣特征反推行星的質(zhì)量、半徑、密度等基