2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星系統(tǒng)的大氣層動力學(xué)特性考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在答題紙上。）1.在忽略水平方向摩擦力的情況下，行星大氣垂直運動的主要驅(qū)動力是：A.大氣內(nèi)部溫度的水平差異B.大氣與行星表面的熱交換C.垂直溫度梯度和氣壓梯度力之差D.行星自轉(zhuǎn)引起的科里奧利力2.哈德萊環(huán)流（HadleyCell）的建立，主要依賴于：A.行星表面的山脈地形B.赤道與極地之間顯著的溫度差異C.大氣中的水汽凝結(jié)與蒸發(fā)過程D.行星大氣的湍流混合3.在類地行星上，費雷爾環(huán)流（FerrelCell）的緯度范圍大致位于：A.0°-30°B.30°-60°C.60°-90°D.0°-90°4.類地行星上的極地渦旋（PolarVortex）主要形成于：A.冬季，由于極地地區(qū)輻射冷卻強烈，形成強大的下沉氣流B.夏季，由于極地地區(qū)接收太陽輻射較多，形成強烈的上升氣流C.春季，由于極地冰蓋融化，水汽大量進入大氣D.秋季，由于極地冷氣團向低緯度地區(qū)移動5.氣態(tài)巨行星（如木星、土星）上觀測到的超高速風(fēng)現(xiàn)象，其主要能量來源被認為是：A.行星表面與大氣之間的熱傳遞B.行星內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量C.行星自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力與科里奧利力的共同作用D.太陽風(fēng)對行星大氣的持續(xù)壓力推動6.木星大氣的著名“大紅斑”（GreatRedSpot）被歸類為：A.溫帶氣旋B.終年不動的反氣旋C.極地渦旋D.哈德萊環(huán)流的上升區(qū)7.與類地行星相比，氣態(tài)巨行星大氣頂部的尺度高度（ScaleHeight）通常：A.更高B.更低C.相同D.無法確定8.行星自轉(zhuǎn)速率對其大氣環(huán)流的主要影響體現(xiàn)在：A.改變大氣的垂直溫度結(jié)構(gòu)B.增強大氣的水平擴散能力C.引起科里奧利力，導(dǎo)致風(fēng)向偏向D.降低大氣的總質(zhì)量9.潮汐加熱（TidalHeating）對行星大氣演化的重要意義在于：A.提供持續(xù)的太陽輻射能B.使行星內(nèi)部保持熔融狀態(tài)，并加熱大氣C.導(dǎo)致行星表面海水蒸發(fā)，增加大氣濕度D.直接驅(qū)動行星表面的風(fēng)系10.利用系外行星凌日（Transit）現(xiàn)象探測其大氣，主要目的是：A.測量行星的半徑和密度B.分析行星大氣成分的吸收光譜C.觀測行星表面的反照率變化D.探測行星的磁場強度二、填空題（每題2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.行星大氣的水平動量輸送，除了對流和輻射之外，主要的機制還包括湍流和行星尺度波動。2.科里奧利力是地球等自轉(zhuǎn)行星上產(chǎn)生地轉(zhuǎn)風(fēng)的關(guān)鍵因素。3.氣態(tài)巨行星的大氣主要由氫和氦組成，其中氦的含量通常低于其在宇宙中的豐度，這是由于大氣逃逸作用。4.哈勃定律（雖然主要用于星系，但此處關(guān)聯(lián)宇宙膨脹背景）和行星大氣的尺度高度概念都體現(xiàn)了宇宙學(xué)或物理過程中的指數(shù)衰減/擴散特征。5.行星大氣的溫室效應(yīng)是指大氣成分吸收并重新輻射紅外輻射，從而提高行星表面溫度的現(xiàn)象。6.觀測到的一些系外行星表現(xiàn)出“超級旋轉(zhuǎn)”（RapidRotation），即自轉(zhuǎn)周期非常短，這對其大氣動力學(xué)產(chǎn)生了顯著影響。7.大氣中的水汽是重要的溫室氣體，也是云和降水的主要組成部分。8.行星風(fēng)系（PlanetaryWindSystem）是描述一個行星全球范圍內(nèi)氣流模式的總稱。9.熱力學(xué)第一定律（能量守恒）是理解和分析行星大氣能量平衡的基礎(chǔ)。10.雷達測風(fēng)是利用雷達發(fā)射的電磁波與大氣中的風(fēng)致回波相互作用，從而探測風(fēng)場的一種遙感技術(shù)。三、簡答題（每題5分，共25分。請將答案寫在答題紙上。）1.簡述行星大氣進行輻射傳熱的基本過程。2.解釋什么是行星尺度波（Planetary-ScaleWaves），并簡述其對行星大氣環(huán)流的影響。3.為什么快速自轉(zhuǎn)的行星（如氣態(tài)巨行星）通常具有更強的風(fēng)？4.簡要說明潮汐加熱如何影響行星的大氣成分和演化。5.比較類地行星和氣態(tài)巨行星大氣的主要區(qū)別。四、計算題（每題10分，共20分。請寫出計算過程和公式。）1.假設(shè)地球大氣在某一高度上的溫度為-50°C（223K），氣壓為500hPa。已知地球大氣的平均摩爾質(zhì)量約為29g/mol，通用氣體常數(shù)R=8.31J/(mol·K)。請估算該高度處大氣的尺度高度（H）。*(提示：可使用理想氣體狀態(tài)方程和尺度高度公式H=kT/(mg))*2.在赤道附近，地轉(zhuǎn)參數(shù)f≈0。如果地面風(fēng)向吹向偏東方向（相對于地理子午線），且近地面風(fēng)速為15m/s，請估算該高度處（假設(shè)f仍然適用）風(fēng)向偏向的角度。*(提示：考慮科里奧利力的作用，即2Ωu，其中u為風(fēng)速，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度)*五、論述題（15分。請將答案寫在答題紙上。）試結(jié)合具體行星案例（如地球、木星、土星等），論述行星自轉(zhuǎn)速率、內(nèi)部加熱機制（如有）以及與太陽的相互作用如何共同塑造了各自獨特的大氣動力學(xué)特性。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.A5.B6.B7.A8.C9.B10.B二、填空題1.對流輻射湍流行星尺度波動2.地轉(zhuǎn)風(fēng)3.氫氦大氣逃逸4.哈勃定律尺度高度5.溫室效應(yīng)6.超級旋轉(zhuǎn)7.水汽8.行星風(fēng)系9.熱力學(xué)第一定律10.雷達測風(fēng)三、簡答題1.答案：行星大氣通過輻射傳熱，主要依靠大氣中的溫室氣體吸收地面和低層大氣發(fā)出的紅外輻射（長波輻射），然后將能量以紅外輻射的形式向各個方向重新輻射。部分能量向上傳遞給更高層大氣，部分能量向下傳遞回地面或低層大氣，從而實現(xiàn)對行星大氣和地表的熱量平衡調(diào)節(jié)。大氣中的云層（水汽、二氧化碳等）也是重要的紅外吸收和發(fā)射體。解析思路：考察對溫室效應(yīng)基本物理過程的理解。需要明確紅外輻射的來源（地面和低層大氣）、溫室氣體的作用（吸收和再輻射紅外線）、能量傳遞方向（向上和向下）及其最終效果（調(diào)節(jié)熱量平衡）。2.答案：行星尺度波是大氣中波長很長（數(shù)千至數(shù)萬公里）、周期較長（數(shù)天至數(shù)周）的波動。它們通常由行星尺度的加熱不均勻性或地形強迫引起。木星大氣的經(jīng)向帶、土星六邊形等都可以看作是行星尺度波動的表現(xiàn)。這些波動可以向東或向西傳播，對行星的經(jīng)向熱量輸送、風(fēng)場結(jié)構(gòu)和維持特定大氣形態(tài)（如極地渦旋）起到重要作用。解析思路：考察對大氣波動基本概念及其影響的理解。需要定義行星尺度波（波長、周期、成因），并舉例說明其在具體行星上的表現(xiàn)及其對大氣環(huán)流的影響機制（如熱量輸送、維持結(jié)構(gòu)）。3.答案：快速自轉(zhuǎn)的行星，其科里奧利參數(shù)（2Ωsinφ，其中Ω為自轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度）較大。在水平氣流中，科里奧利力會顯著地使氣流偏向，形成強大的地轉(zhuǎn)風(fēng)帶。同時，快速自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力也會對氣壓場分布產(chǎn)生影響。強大的科里奧利力能夠支持更強烈的風(fēng)場發(fā)展，并可能形成更清晰、更穩(wěn)定的行星風(fēng)系結(jié)構(gòu)。例如，木星和土星的自轉(zhuǎn)速度非常快，其大氣風(fēng)速也遠超類地行星。解析思路：考察科里奧利力對大氣環(huán)流的影響。需要解釋科里奧利力如何導(dǎo)致風(fēng)向偏向，以及自轉(zhuǎn)速度如何影響科里奧利力的大小，進而解釋其對風(fēng)場強度和結(jié)構(gòu)的影響。4.答案：潮汐加熱是指天體（如衛(wèi)星）與行星之間的潮汐力導(dǎo)致行星內(nèi)部發(fā)生形變，這種形變產(chǎn)生的內(nèi)部摩擦將機械能轉(zhuǎn)化為熱能，使行星內(nèi)部（包括地核、地幔）保持相對高溫或熔融狀態(tài)。這種內(nèi)部熱量可以穿透到行星表面，并通過熱傳導(dǎo)和對流加熱行星大氣，特別是低層大氣。這有助于維持行星大氣層的存在（防止過快冷卻和逃逸），并可能影響大氣成分（如驅(qū)動對流）和全球環(huán)流模式。解析思路：考察對潮汐加熱機制及其后果的理解。需要解釋潮汐力如何做功產(chǎn)生熱量（內(nèi)部摩擦），內(nèi)部熱量如何傳遞給大氣，以及這對大氣層存在、成分和環(huán)流的影響。5.答案：類地行星（如地球、火星）大氣主要由氮、氧等輕元素組成的氣體構(gòu)成，大氣相對較薄，成分較為單一，溫度隨高度變化劇烈（大氣層結(jié)構(gòu)分明），受內(nèi)部加熱影響較小。氣態(tài)巨行星（如木星、土星）大氣主要由氫、氦等重元素組成，大氣極其深厚，垂直結(jié)構(gòu)相對平滑，含有甲烷、氨、水冰云等復(fù)雜成分，且內(nèi)部潮汐加熱對其大氣環(huán)流和成分演化起著主導(dǎo)作用，風(fēng)速非常高。解析思路：考察對不同類型行星大氣宏觀特征和組成的比較能力。需要從主要成分、大氣厚度、垂直結(jié)構(gòu)、溫度特征、內(nèi)部加熱影響、成分復(fù)雜度、風(fēng)速等方面進行對比。四、計算題1.答案：*公式：H=kT/(mg)=R*T/(M*g)*已知：T=223K,P=500hPa=50000Pa,M=29g/mol=0.029kg/mol,g≈9.8m/s2,R=8.31J/(mol·K)*計算：H=(8.31J/(mol·K)*223K)/(0.029kg/mol*9.8m/s2)H≈6.47*103m/0.284kg/(m·s2)H≈2.27*103m≈22.7km2.答案：*公式：偏轉(zhuǎn)角δ≈2*Ω*u/f(近似，f≈0時適用)*已知：u=15m/s,f≈0(赤道附近),Ω≈7.29*10??rad/s(地球自轉(zhuǎn)角速度)*由于f≈0，科里奧利力近似為2*Ω*u。此時風(fēng)向（偏東）與科里奧利力方向相反，表明地轉(zhuǎn)參數(shù)f的實際值應(yīng)為負，代表地轉(zhuǎn)偏向力使風(fēng)向偏向西。計算出的“角速度”代表的是偏向的傾向，大小約為：2*7.29*10??rad/s*15m/s≈2.19*10?3rad/s*轉(zhuǎn)換為角度/秒：約2.19*10?3rad/s*(180°/πrad)≈0.125°/s*這表示在赤道附近，若忽略科里奧利力，15m/s的東風(fēng)會以約0.125°/秒的速度向西偏轉(zhuǎn)。實際大氣運動更復(fù)雜，但此計算展示了基本原理。嚴格來說，赤道處f=0，無地轉(zhuǎn)風(fēng)。五、論述題答案：行星大氣動力學(xué)特性是行星自轉(zhuǎn)速率、內(nèi)部熱源、與太陽的輻射收支以及行星自身物理特性（半徑、質(zhì)量、形狀、表面狀況）等多種因素復(fù)雜相互作用的結(jié)果。以地球為例，地球具有適中的自轉(zhuǎn)速率（1轉(zhuǎn)/24小時），產(chǎn)生顯著的科里奧利力，形成了明顯的南北半球信風(fēng)帶和西風(fēng)帶。地球內(nèi)部通過放射性元素衰變提供一定的熱量，但相對于太陽輻射，內(nèi)部加熱貢獻較小。地球接收適量的太陽輻射，大氣通過溫室效應(yīng)調(diào)節(jié)地表溫度。這些因素共同作用，塑造了地球復(fù)雜多樣的全球風(fēng)系和天氣系統(tǒng)。木星是快速自轉(zhuǎn)行星（1轉(zhuǎn)/10小時），巨大的科里奧利力支撐起極快的超高速風(fēng)（可達數(shù)百米/秒），并形成了穩(wěn)定清晰的行星風(fēng)帶和巨大的反氣旋“大紅斑”。木星擁有強大的內(nèi)部潮汐加熱（主要由伽利略衛(wèi)星引力引起），這為木星大氣提供了巨額能量，遠超太陽輻射，是驅(qū)動其強大環(huán)流的主要動力。木星大氣主要由氫、氦組成，富含甲烷、氨等。土星也是一個快速自轉(zhuǎn)的氣態(tài)巨行星（1轉(zhuǎn)/10.7小時），其大氣動力學(xué)與木星相似，具有高速風(fēng)和復(fù)雜的帶狀結(jié)構(gòu)。土星內(nèi)部也有顯著的潮汐加熱，但其大氣成分和結(jié)構(gòu)（如著名的六邊形極地渦旋）與木星有所不同，顯示出其獨特性?；鹦亲赞D(zhuǎn)速率與地球相似，但質(zhì)量較小，引力較弱，且大氣極為稀?。ㄖ饕煞质嵌趸迹评飱W利力效應(yīng)相對較弱，大氣活動主要受太陽風(fēng)和季節(jié)性變化（極冠變化）影響。天王星和海王星是冰巨行星，自轉(zhuǎn)速率快（尤其海王星），大氣成分以氫、氦為主，但含有更多甲烷、氨、水冰等。它們內(nèi)部也有潮汐加熱，但其大氣動力學(xué)特性與氣態(tài)巨行星有區(qū)別，例如海王星曾觀測到“超級風(fēng)暴”。系外行星的研究