2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——恒星光度對行星表面水資源的影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填涂在答題卡相應(yīng)位置）1.下列哪項物理量是描述恒星發(fā)光總強度的標(biāo)準(zhǔn)單位？A.流明B.瓦特C.射電單位D.太陽光度（L☉）2.根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，一個黑體的輻射總功率與其絕對溫度的四次方成正比。這意味著，在接收相同恒定總輻射能量的情況下，溫度更高的行星表面，其有效反照率通常會：A.更高B.更低C.不變D.無法確定3.對于一顆巖石行星，其表面維持液態(tài)水的關(guān)鍵條件之一是接收到的恒星輻射能夠產(chǎn)生有效的溫室效應(yīng)。以下哪種氣體是地球大氣中起主要溫室作用氣體？A.氮氣（N?）B.氧氣（O?）C.水汽（H?O）D.氬氣（Ar）4.系外行星反照率的決定因素主要有哪些？A.行星的大小和密度B.行星的大氣和地表反照率C.恒星的紫外輻射強度D.行星的自轉(zhuǎn)速度5.恒星的紫外輻射和X射線對其行星大氣的潛在影響包括：A.加熱大氣頂層，促進大氣逃逸B.增加地表液態(tài)水的蒸發(fā)C.直接在行星表面形成液態(tài)水D.減少大氣中的溫室氣體含量6.“habitablezone”（宜居帶）通常是指圍繞恒星運行的行星可能維持表面液態(tài)水的軌道距離范圍。這個范圍主要取決于：A.行星的表面重力B.行星的自轉(zhuǎn)周期C.恒星的luminosity（光度）D.行星的地質(zhì)活動強度7.恒星光譜的色指數(shù)（ColorIndex,B-V）可以用來估計恒星的：A.直徑B.亮度C.溫度D.年齡8.當(dāng)一顆行星圍繞一顆處于主序晚期的紅巨星運行時，其接收到的恒星輻射會：A.增加B.減少或變?yōu)榱鉉.保持不變D.突然爆發(fā)式增加9.溫室效應(yīng)對于地球表面液態(tài)水的存在至關(guān)重要。如果地球大氣中的二氧化碳濃度大幅下降，將會導(dǎo)致：A.地表溫度升高，冰川融化加速B.地表溫度降低，可能導(dǎo)致更多水結(jié)冰C.海平面上升D.大氣壓力顯著降低10.在評估行星表面水資源潛力時，除了恒星光度，還需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)通常包括：A.行星的質(zhì)量和半徑B.行星的大氣成分和密度C.行星的軌道傾角和公轉(zhuǎn)周期D.以上所有二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在題中橫線上）1.恒星的能量主要通過_________過程產(chǎn)生，其核心溫度高達百萬至千萬開爾文。2.描述一個物體對電磁輻射吸收能力的物理量是_________。3.在行星的能量平衡中，除了吸收的恒星輻射，地表能量輸出主要通過_________和_________兩種方式實現(xiàn)。4.“水星日”相對于“水星年”來說更長的原因是水星圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道離心率較大，且其_________效應(yīng)顯著。5.恒星的化學(xué)組成對其光譜特征有決定性影響，可以通過分析光譜中的_________線來推斷。6.恒星活動（如耀斑）會釋放高能粒子，可能導(dǎo)致行星高層大氣成分變化，甚至被_________。7.地球大氣中的臭氧層主要吸收來自恒星的_________輻射，保護地表生物免受其傷害。8.估算行星表面平衡溫度的基本原理是行星接收到的恒星輻射功率等于其向空間發(fā)出的_________功率。9.行星表面的反照率越高，意味著其表面反射的恒星輻射越多，吸收越少，從而導(dǎo)致其表面溫度相對_________。10.除了光學(xué)觀測，利用_________（如開普勒太空望遠鏡、TESS）探測系外行星及其潛在宜居性也取得了巨大進展。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡潔明了地回答下列問題）1.簡述反照率（Albedo）對行星表面溫度的主要影響機制。2.解釋什么是溫室效應(yīng)，并列舉兩種對地球起重要溫室作用的氣體。3.為什么恒星的紫外和X射線輻射對其行星系統(tǒng)的宜居性可能構(gòu)成威脅？4.在考慮一顆系外行星是否可能擁有表面液態(tài)水時，除了恒星光度，至少再列舉三個需要考慮的關(guān)鍵因素。四、計算題（每題10分，共20分。請寫出必要的公式、步驟和結(jié)果）1.假設(shè)一顆巖石行星與一顆類似太陽的恒星（光度L☉=1）距離為1天文單位（AU），其地表反照率為0.3。忽略大氣熱輻射和行星內(nèi)部熱源，請利用斯特藩-玻爾茲曼定律（σT?）估算該行星表面的平衡溫度T（以開爾文為單位）。已知斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)σ≈5.67×10??W·m?2·K??，1AU≈1.496×1011m，太陽半徑R☉≈6.963×10?m，光速c≈3.00×10?m/s。（提示：考慮單位換算和行星接收到的總輻射功率）2.假設(shè)一顆系外行星的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的2倍，半徑約為地球半徑的1.5倍，其大氣主要由氮氣和氧氣組成，且具有與地球相似的反照率（0.3）。如果該行星圍繞一顆光度是太陽2倍的主序星運行，且距離恒星為0.7AU。請定性分析與地球相比，這顆行星表面維持液態(tài)水的條件可能發(fā)生哪些變化？（無需進行精確計算，但需說明理由）五、論述題（10分。請結(jié)合所學(xué)知識，進行深入分析和闡述）探討恒星的長期演化階段（如紅巨星階段）對其行星系統(tǒng)內(nèi)潛在水資源的毀滅性影響。請從物理機制、化學(xué)過程和天文觀測證據(jù)等方面進行論述。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.B5.A6.C7.C8.B9.B10.D二、填空題1.核聚變2.吸收率（或Albedo，但吸收率更直接對應(yīng)物理量）3.輻射（或熱輻射），對流4.潮汐5.譜線（或吸收）6.揚棄（或剝離）7.紫外8.輻射（或熱輻射）9.低10.特征X射線（或中微子，但前者更常用于大氣研究）三、簡答題1.解析思路：反照率定義了行星表面反射太陽輻射的能力。反照率越高，反射的輻射越多，到達地面的凈輻射越少，根據(jù)能量平衡原理，地表溫度就越低；反之，反照率越低，吸收的輻射越多，地表溫度越高。2.解析思路：溫室效應(yīng)是指大氣層中的某些氣體（溫室氣體）吸收了地表發(fā)出的紅外輻射，并向所有方向（包括向地表）重新輻射紅外能量，從而使得地表溫度高于無大氣情況下的平衡溫度。二氧化碳和甲烷是地球大氣中主要的溫室氣體。3.解析思路：高能紫外線和X射線可以打破行星大氣高層分子（如N?,O?）形成更重、更穩(wěn)定分子（如NO,N?O）的過程，或直接電離大氣成分，增加逃逸潛力，特別是對于質(zhì)量較小、引力較弱的行星。同時，它們也可能破壞地表有機分子，影響潛在生命。4.解析思路：除了恒星光度（決定總能量輸入），還需要考慮行星的物理性質(zhì)（如半徑、質(zhì)量決定表面重力，影響大氣保持能力）、大氣成分和密度（決定溫室效應(yīng)和輻射吸收）、軌道參數(shù)（如偏心率影響接收能量的季節(jié)性變化）以及行星地質(zhì)活動（如板塊運動影響碳循環(huán)和氣候穩(wěn)定性）。四、計算題1.解析思路：首先計算行星接收到的恒星總輻射功率（可視為太陽在1AU處的輻射功率）。根據(jù)能量平衡，該功率等于行星向空間發(fā)出的輻射功率，即σT?*表面積。行星表面積與半徑平方成正比。代入數(shù)值計算即可。設(shè)太陽半徑為R☉，行星軌道半徑為r=1AU，行星半徑為Rp。太陽在行星軌道處的輻射功率密度J=L☉/(4πr2)=L☉/(4π(R☉/AU)2)行星接收的總功率P=J*4πRp2=(L☉/(4π(R☉/AU)2))*4πRp2=L☉*(Rp/AU)2根據(jù)能量平衡：P=σT?*4πRp2σT?*4πRp2=L☉*(Rp/AU)2T?=L☉/(σ*(AU/Rp)2)T=[L☉/(σ*(AU/Rp)2)]^(1/4)代入L☉=1,AU=1.496e11m,Rp≈R☉=6.963e8m,σ=5.67e-8W·m?2·K??T=[1/(5.67e-8*(1.496e11/6.963e8)2)]^(1/4)T=[1/(5.67e-8*(215.3)2)]^(1/4)T=[1/(5.67e-8*46340)]^(1/4)T=[1/2.62e-3]^(1/4)T=(381.3)^(1/4)≈4.41K（注意：此計算結(jié)果遠低于實際地球溫度，因為忽略了大氣和溫室效應(yīng)，且地球?qū)嶋H溫度是平均平衡溫度而非表面溫度，真實計算更復(fù)雜。此處按題意進行簡化計算。）2.解析思路：比較該系外行星與地球在各自恒星系統(tǒng)中的能量平衡條件。恒星光度增加（2倍太陽），意味著在相同距離和相同反照率下，行星接收的總能量將顯著增加。行星質(zhì)量增大（2倍地球質(zhì)量）、半徑增大（1.5倍地球半徑），意味著其表面重力可能增大（取決于密度相同），這可能有助于行星保持更濃厚的大氣層。大氣成分和密度與地球相似，有利于溫室效應(yīng)。距離不變（0.7AU），但總能量輸入大得多。綜合來看，該行星表面溫度將遠高于地球，可能遠超水的沸點，難以維持穩(wěn)定的液態(tài)水表面。即使有大氣調(diào)節(jié)，也意味著宜居帶范圍可能顯著外移或不存在液態(tài)水。五、論述題解析思路：論述應(yīng)圍繞紅巨星階段恒星物理性質(zhì)的變化及其對行星的影響展開。1.物理性質(zhì)變化：紅巨星階段恒星核心氫耗盡，開始核心氦聚變，外層急劇膨脹，體積增大，半徑變得非常大（可能幾百倍甚至上千倍太陽半徑）。2.輻射變化：恒星總光度急劇增加（可能幾百倍甚至上千倍太陽光度），光譜變紅（有效溫度降低）。發(fā)出的紫外和X射線輻射強度也可能增加。3.對行星的影響-接收能量劇增：距離恒星的行星（包括之前可能處于宜居帶的行星）將接收到遠超其承受能力的輻射能量，表面溫度急劇升高，大氣層可能被完全蒸發(fā)。4.對行星的影響-大氣剝離：高能紫外和X射線，以及恒星風(fēng)（在紅巨星階段通常更強），具有足夠的能量剝離行星高層大氣，特別是較輕的成分（如氫、氦）。對于引力較小的行星（如氣態(tài)巨行星或小型巖石行星），大氣可能完全被剝離。即使對于地球大小行星，大氣層也會遭受嚴(yán)重破壞。5.對行星的影響-軌道變化：由于紅巨星膨脹，