2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星地質(zhì)熱演化對大氣結(jié)構(gòu)演變影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.行星早期地質(zhì)熱演化最主要的能量來源是：A.撞擊產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化B.行星自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能C.來自恒星的輻射能D.行星內(nèi)部放射性元素衰變釋放的熱能2.下列哪種過程不利于行星內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)和散發(fā)？A.全球風(fēng)化作用B.板塊構(gòu)造運動C.弧形火山活動D.慢速的放射性元素衰變3.導(dǎo)致類地行星早期大氣大規(guī)模丟失的主要原因是：A.恒星風(fēng)的光壓剝離B.行星內(nèi)部溫度過高導(dǎo)致氣體分子動能不足C.行星缺乏全球性磁場保護D.大型撞擊事件引發(fā)的劇烈大氣逃逸4.地球現(xiàn)代大氣中二氧化碳含量遠低于早期，最主要的原因是：A.太陽輻射增強導(dǎo)致二氧化碳分解B.大氣中的二氧化碳被深海吸收并沉積形成碳酸鹽巖C.火山活動持續(xù)釋放大量二氧化碳D.微生物活動消耗了大部分二氧化碳5.與地球相比，火星大氣稀薄且以二氧化碳為主的主要原因是：A.火星與太陽的距離更近，接收的太陽輻射更強B.火星的質(zhì)量和重力較小，難以удерживать大氣C.火星缺乏全球性磁場，大氣易被太陽風(fēng)剝離D.火星早期火山活動較弱，未能形成厚大氣層6.行星大氣的溫室效應(yīng)主要依賴于：A.大氣中的氮氣和氧氣分子吸收所有紅外輻射B.陽光直射大氣層底部C.大氣中的某些氣體成分（如二氧化碳、水汽）吸收并重新輻射紅外線D.大氣環(huán)流將熱量從赤道輸送到兩極7.恒星風(fēng)對行星大氣的主要影響不包括：A.摘取高層大氣分子形成行星風(fēng)層B.通過光壓直接壓縮整個大氣層C.在行星磁層與大氣之間建立能量傳遞D.引起行星表面噴發(fā)物的電離和剝離8.下列哪種地質(zhì)過程可能顯著增加行星大氣的氮氣含量？A.撞擊事件帶來的原始大氣成分注入B.火山活動釋放甲烷等還原性氣體C.原始大氣中的氨通過光解產(chǎn)生氮氣D.水圈與巖石圈相互作用導(dǎo)致大氣氮氣被吸收9.行星冷卻速度與其半徑的關(guān)系通常是：A.半徑越大，冷卻越快B.半徑越小，冷卻越快C.與半徑無關(guān)，主要取決于初始質(zhì)量D.半徑越大，冷卻越慢（因表面積與體積比減?。?0.板塊構(gòu)造活躍的行星通常表現(xiàn)出：A.穩(wěn)定的大氣成分和氣候B.頻繁的全球性火山噴發(fā)和大規(guī)模氣體釋放C.貧氧且富甲烷的大氣D.極少的水汽含量和極地冰蓋二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述行星放射性元素衰變熱對行星早期熔融和分異過程的影響。2.解釋全球風(fēng)化作用如何影響行星大氣中二氧化碳的長期平衡。3.描述行星磁場如何保護其大氣層免受太陽風(fēng)剝離。4.比較火星和金星當前大氣狀態(tài)的主要差異及其可能形成的地質(zhì)熱演化原因。5.簡述“溫室runaway”和“runawaygreenhouse”在行星大氣演化中的區(qū)別。三、論述題（每小題10分，共30分）1.詳細論述行星的冷卻過程（包括內(nèi)部熱源、熱量傳遞機制和最終地表溫度）如何決定其早期大氣成分的演化和丟失潛力。2.結(jié)合具體行星實例（可選地球、火星、金星、木星中的任一個或多個），論述地質(zhì)活動（如火山爆發(fā)、板塊構(gòu)造、撞擊事件）對大氣結(jié)構(gòu)（成分、壓力、溫度分布）的短期和長期影響。3.探討地質(zhì)熱演化歷史（如放射性元素豐度變化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化）與行星宜居性（特別是大氣宜居性）之間的內(nèi)在聯(lián)系，并舉例說明。四、計算題（共15分）假設(shè)一個半徑為5000km、質(zhì)量為月球質(zhì)量的類地行星，其內(nèi)部主要的熱源來自初始放射性元素（半衰期1億年，釋放熱量效率為10%）。假設(shè)該行星沒有板塊構(gòu)造，熱量主要通過表面輻射散失。請簡述計算該行星表面溫度需要考慮哪些關(guān)鍵因素，并說明地質(zhì)熱演化如何影響這個計算結(jié)果（無需進行具體數(shù)值計算）。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.C4.B5.B6.C7.B8.D9.B10.B二、簡答題1.解析思路：放射性元素衰變釋放大量熱能，使行星內(nèi)部（特別是地幔）達到極高溫度，導(dǎo)致行星部分熔融。熔融使得物質(zhì)根據(jù)密度發(fā)生分異，較重的元素（如鐵、鎳）下沉形成地核，較輕的硅酸鹽物質(zhì)上浮形成地幔和地殼。這個過程為早期火山活動提供了物質(zhì)來源和能量，并影響了行星的早期大氣組成（如火山噴發(fā)釋放氣體）和結(jié)構(gòu)。2.解析思路：全球風(fēng)化作用（包括化學(xué)風(fēng)化、物理風(fēng)化等）將大氣中的主要溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸鹽等固體形式，并沉積到地表或深海。這個過程有效地降低了大氣中二氧化碳的分壓，削弱了溫室效應(yīng)，從而降低了行星表面的平均溫度。長期的全球風(fēng)化作用是地球大氣二氧化碳含量遠低于早期的重要原因，它構(gòu)成了一個負反饋機制，幫助穩(wěn)定行星氣候。3.解析思路：行星磁場（特別是像地球這樣的全球性偶極磁場）能在行星與太陽風(fēng)之間形成一個保護層。高能帶電粒子流（太陽風(fēng)）會被磁力線偏轉(zhuǎn)，繞過行星表面，從而減少對高層大氣分子的直接沖擊和剝離。沒有磁場的行星（如火星）其大氣高層直接暴露于太陽風(fēng)下，導(dǎo)致大氣分子被電離、加速并逃逸到太空中。4.解析思路：火星當前大氣稀?。s地球的1%）、以二氧化碳為主（約95%）；金星大氣極其濃厚（約地球的90-95倍）、主要成分是二氧化碳（約96%），表面溫度極高。兩者差異主要原因：火星質(zhì)量較小，重力較低，難以удерживать住厚重的大氣；火星缺乏全球性磁場，大氣易被太陽風(fēng)剝離；火星地質(zhì)活動（特別是板塊構(gòu)造）長期不活躍，火山釋放氣體量少，且全球風(fēng)化作用強，大氣形成和補充機制不足。而金星質(zhì)量較大，重力強；早期或歷史上可能存在較強的全球性磁場；地質(zhì)活動活躍，火山釋放了巨量二氧化碳，但缺乏有效的二氧化碳清除機制（如強風(fēng)化），導(dǎo)致大氣不斷累積并形成“溫室runaway”。5.解析思路：“溫室runaway”是指行星大氣對溫室氣體的反饋作用失控，導(dǎo)致溫度急劇升高，即使太陽輻射或溫室氣體濃度不再增加，溫度也會持續(xù)上升，直至大氣成分發(fā)生根本性改變（如水蒸氣含量極高）。典型的例子是金星。“Runawaygreenhouse”通常指導(dǎo)致“溫室runaway”啟動的初始階段或過程，即當行星表面溫度升高到一定程度（如水的沸點），導(dǎo)致大量液態(tài)水蒸發(fā)進入大氣，進一步加劇溫室效應(yīng)，從而引發(fā)不可逆轉(zhuǎn)的快速升溫過程。兩者關(guān)系是，“runawaygreenhouse”是觸發(fā)“溫室runaway”的條件或過程，而“溫室runaway”是最終的失控狀態(tài)。三、論述題1.解析思路：首先闡述行星冷卻的機制：放射性元素衰變提供初始熱量，熱量通過傳導(dǎo)、對流（內(nèi)部）和輻射（外部）從內(nèi)部傳遞到表面散失到空間。冷卻速度與行星半徑（體積）、初始質(zhì)量、放射性元素豐度、表面與空間的輻射平衡有關(guān)。早期高溫導(dǎo)致大氣分子平均動能高，碰撞頻繁，容易逃逸（Jeans逃逸）；隨著行星冷卻，表面溫度降低，內(nèi)部活動減弱（如火山減少），大氣逃逸潛力降低。同時，冷卻過程也改變了地表化學(xué)環(huán)境，影響大氣成分的來源（如原始大氣丟失、次生大氣形成，如火山釋放）和演化（如CO2被風(fēng)化吸收）。因此，地質(zhì)熱演化歷史直接決定了行星大氣的初始狀態(tài)、演化和最終是否能夠穩(wěn)定存在。2.解析思路：選擇一個或多個行星實例進行闡述。例如，地球：板塊構(gòu)造導(dǎo)致持續(xù)的火山活動釋放CO2，維持溫室效應(yīng)；同時，通過全球風(fēng)化作用吸收CO2，形成碳循環(huán)，穩(wěn)定氣候。大型撞擊事件（如早期小行星撞擊）可能導(dǎo)致大氣成分瞬時劇變和部分丟失，但地球的質(zhì)量和磁場使其能逐漸恢復(fù)。火星：早期地質(zhì)活動活躍，火山釋放大量氣體形成厚大氣，但缺乏全球磁場和有效的碳循環(huán)機制，大氣被太陽風(fēng)剝離，導(dǎo)致大氣變薄。金星：強烈的板塊構(gòu)造和火山活動釋放巨量CO2，但缺乏有效的CO2清除，導(dǎo)致強烈的溫室效應(yīng)和濃厚大氣。木星：內(nèi)部熱量主要來自快速自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的離心力（快自轉(zhuǎn)模型），驅(qū)動強對流，通過大紅斑等現(xiàn)象體現(xiàn)，其厚大氣主要由行星形成時的吸積物質(zhì)構(gòu)成，并受到強烈的輻射壓和磁場影響。論述中需強調(diào)地質(zhì)活動（熱狀態(tài)、氣體釋放、表面過程）與大氣成分、壓力、溫度、環(huán)流之間的動態(tài)相互作用。3.解析思路：地質(zhì)熱演化決定了行星的初始狀態(tài)和長期演化潛力。例如，行星能否形成足夠大的質(zhì)量以удерживать大氣（與形成和冷卻過程有關(guān)）；內(nèi)部熱狀態(tài)是否允許持續(xù)的火山活動釋放必要的大氣成分（如CO2）；是否存在全球性磁場來保護大氣（與內(nèi)部液態(tài)金屬核心的形成和動力學(xué)有關(guān)）；表面化學(xué)過程（如水圈、風(fēng)化作用）是否能夠調(diào)節(jié)大氣成分，維持宜居溫度（與冷卻和板塊構(gòu)造有關(guān)）。以火星為例，其地質(zhì)冷卻快、質(zhì)量小、無磁場，導(dǎo)致大氣丟失，不再宜居。以地球為例，其地質(zhì)活動活躍，維持大氣成分和氣候穩(wěn)定，具備宜居條件。以金星為例，其地質(zhì)活動強但缺乏碳循環(huán)，導(dǎo)致溫室效應(yīng)失控，表面極端不適宜。因此，地質(zhì)熱演化歷史是判斷行星宜居性的關(guān)鍵基礎(chǔ)。四、計算題解析思路：計算行星表面溫度需要考慮以下關(guān)鍵因素：1.內(nèi)部熱輸入：主要由放射性元素衰變提供，需要知道放射性元素的種類、豐度、半衰期以及熱釋放效率。2.熱量傳遞機制：內(nèi)部熱量如何到達表面，包括內(nèi)部傳導(dǎo)、對流（如地幔對流）和向外部空間的輻射散失。行星的半徑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如地核、地幔狀態(tài)）、旋轉(zhuǎn)速度等會影響傳遞效率。3.外部能量輸入：來自恒星的輻射功率，與行星與恒星的距離有關(guān)。4.外部能量輸出（輻射散失）：行星表面和大氣吸收恒星能量后，以紅外輻射形式向空間散失的熱量。這取決于行星的表面溫度（T）、半徑（R）、發(fā)射率（ε）以及斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（σ）。行星的吸收率（Albedo）也影響到達地表的有效能量。5.大氣狀態(tài)：大氣的存在會通過溫室效應(yīng)影響地表溫度。大氣成分、密度、高度分布等都會改變地表接收的凈輻射和自身的輻射特性。地質(zhì)熱演化如何影響計算結(jié)果：1.初始條件和演化路徑：行星的初始質(zhì)量、半徑和放射性元素豐度決定了其初始熱輸入和冷卻速率，進而影響早期表面溫度和大氣形成條件。2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化：隨著冷卻，行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變（如地核凝固、地幔密度變化），影響熱傳導(dǎo)和對流