2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——溫室氣體在行星大氣中的作用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述溫室效應(yīng)的基本原理。說明大氣中的能量主要來源于何處，以及能量在大氣層中主要的吸收、散射和輻射過程。二、列舉四種你在《行星科學(xué)》課程中學(xué)到的主要溫室氣體，并簡(jiǎn)要說明其中任意兩種溫室氣體的主要來源（自然或人為）及其在大氣中的主要吸收特征（例如，吸收的主要光譜區(qū)域）。三、比較地球與金星的溫室效應(yīng)。解釋造成兩者溫室效應(yīng)強(qiáng)度存在巨大差異的主要原因，并分析這種差異如何導(dǎo)致了它們當(dāng)前截然不同的表面溫度和大氣環(huán)境。四、火星目前表面溫度普遍較低，且大氣主要成分是二氧化碳。討論火星歷史上可能存在的更強(qiáng)溫室效應(yīng)以及導(dǎo)致其溫室效應(yīng)減弱的潛在原因。你認(rèn)為在火星上尋找過去或現(xiàn)在生命跡象時(shí)，大氣中的溫室氣體成分是一個(gè)重要的考慮因素嗎？請(qǐng)說明理由。五、簡(jiǎn)述科學(xué)家通常采用哪些方法來探測(cè)和研究其他行星（如系外行星或太陽系內(nèi)行星）大氣中的溫室氣體成分。舉例說明其中一種方法的基本原理。六、全球氣候變化是當(dāng)前人類社會(huì)面臨的重要挑戰(zhàn)，其主要驅(qū)動(dòng)因素之一是人為增加的大氣溫室氣體濃度。從行星科學(xué)的角度，討論人類活動(dòng)影響地球溫室效應(yīng)的機(jī)制，并思考這種影響與其他行星歷史上的溫室狀態(tài)變化有何異同。七、論述溫室氣體的存在對(duì)于行星宜居性（HabitableZone）的意義。為什么僅僅位于所謂的“宜居帶”內(nèi)并不足以保證一個(gè)行星擁有適宜生命存在的表面環(huán)境和大氣條件？試卷答案一、溫室效應(yīng)是指大氣層中的某些氣體（溫室氣體）吸收并重新輻射地球表面向外散發(fā)的紅外輻射（熱量），從而導(dǎo)致行星表面溫度升高的現(xiàn)象。其基本原理如下：1.能量來源：行星接收來自太陽的短波輻射（主要是可見光和部分紫外線）。2.地表吸收與升溫：行星表面（陸地、海洋）吸收大部分太陽短波輻射后升溫。3.紅外輻射發(fā)射：溫?zé)岬谋砻嫦蛲獍l(fā)射長(zhǎng)波紅外輻射（熱量）。4.大氣吸收：大氣中的溫室氣體（如CO2,H2O,CH4等）選擇性地吸收這些紅外輻射，導(dǎo)致大氣自身升溫。5.向下輻射：吸收了熱量的溫室氣體分子會(huì)向各個(gè)方向（包括向下的地表）重新輻射紅外能量。6.能量平衡與溫度升高：向下輻射的熱量補(bǔ)充了地表散失的部分熱量，使得地表能量收支趨向平衡，但平均溫度高于同等條件下無大氣或大氣透明度極低的情況。二、四種主要溫室氣體：二氧化碳（CO2）、水蒸氣（H2O）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）。選擇二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）：*CO2：主要自然來源包括火山噴發(fā)、有機(jī)物分解、生物呼吸作用；人為來源主要是燃燒化石燃料和工業(yè)過程。CO2在大氣中主要吸收中紅外波段（如4.3微米和15微米附近）的輻射。*CH4：主要自然來源包括濕地、甲烷水合物分解；人為來源主要是農(nóng)業(yè)活動(dòng)（如稻田種植、反芻動(dòng)物消化）、化石燃料開采和利用。CH4在大氣中主要吸收近紅外和遠(yuǎn)紅外波段（如3.3微米和7.6微米附近）的輻射。三、地球與金星溫室效應(yīng)的主要差異及原因：*地球：溫室效應(yīng)適中，平均表面溫度約15°C。大氣成分以氮?dú)猓∟2）為主（約78%），氧氣（O2）為次（約21%），少量溫室氣體（CO2約占0.04%）有效吸收紅外輻射，維持了適宜的溫度。*金星：擁有極其強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，表面溫度高達(dá)約460°C。其大氣成分以二氧化碳（CO2）為主（約96%），濃度極高，形成了厚厚的云層，導(dǎo)致極強(qiáng)的溫室效應(yīng)，幾乎所有太陽輻射都被大氣層吸收或反射，地表接收到的能量極少。*主要原因：金星大氣中極高的CO2濃度和厚重的大氣層是造成其極端溫室效應(yīng)的核心原因。相比之下，地球大氣雖然也含有CO2，但濃度較低，且主要的溫室作用由水蒸氣貢獻(xiàn)，同時(shí)大氣較為稀薄。這種差異導(dǎo)致了金星表面酷熱、大氣壓力是地球的92倍，而地球表面則相對(duì)涼爽、濕潤，擁有適宜生命存在的條件。四、火星溫室效應(yīng)減弱的可能原因：*大氣流失：火星早期可能擁有更厚、更溫暖的大氣層，但強(qiáng)烈的太陽風(fēng)剝離了其高層大氣，導(dǎo)致大氣總量銳減。*缺乏強(qiáng)溫室氣體源：與地球活躍的火山活動(dòng)不同，火星目前火山活動(dòng)微弱，難以持續(xù)補(bǔ)充大氣中的溫室氣體（尤其是水蒸氣，其易被紫外線分解）。*水資源的消失：早期火星可能存在大量液態(tài)水，水蒸氣是重要的溫室氣體。隨著水分蒸發(fā)、凍結(jié)或在地下存在，水蒸氣濃度下降，削弱了溫室效應(yīng)。*軌道和傾角變化：火星軌道和自轉(zhuǎn)軸傾角的長(zhǎng)期變化可能影響了其氣候和大氣成分的穩(wěn)定性，但不足以完全逆轉(zhuǎn)溫室效應(yīng)。溫室氣體成分是行星宜居性的關(guān)鍵參數(shù)之一。因?yàn)樗苯佑绊懶行潜砻鏈囟?，而適宜的溫度是維持液態(tài)水存在的必要條件之一，液態(tài)水被認(rèn)為是生命存在的關(guān)鍵基礎(chǔ)。因此，研究火星大氣中的溫室氣體（特別是過去和現(xiàn)在的變化）對(duì)于評(píng)估火星的宜居歷史和潛力至關(guān)重要。五、探測(cè)和研究其他行星大氣中溫室氣體的方法：*遙感光譜分析：通過分析從行星表面或大氣層反射/透射到太空的太陽光的光譜特征，尋找特定溫室氣體吸收特征譜線的“指紋”。例如，使用望遠(yuǎn)鏡或空間探測(cè)器搭載的光譜儀測(cè)量行星的紅外或可見光光譜，如果光譜中出現(xiàn)了與已知溫室氣體吸收峰對(duì)應(yīng)的位置，則表明該氣體存在于大氣中。這是目前研究系外行星和太陽系內(nèi)行星大氣成分最常用的方法。*原理簡(jiǎn)述（以遙感為例）：當(dāng)太陽光穿過行星大氣時(shí)，大氣中的氣體分子會(huì)根據(jù)其振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷的需要，選擇性地吸收特定波長(zhǎng)的光。每種氣體都有其獨(dú)特的吸收光譜“指紋”。通過精確測(cè)量行星反射或透射光的光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化，并與不含大氣的背景光譜或大氣模型進(jìn)行比較，可以識(shí)別出哪些氣體以及它們的相對(duì)豐度。六、人類活動(dòng)影響地球溫室效應(yīng)的機(jī)制及其與行星歷史的異同：*機(jī)制：人類活動(dòng)，特別是近幾個(gè)世紀(jì)的工業(yè)化進(jìn)程，通過大規(guī)模燃燒化石燃料（煤、石油、天然氣）、毀林（減少了大氣中CO2的吸收者）、工業(yè)生產(chǎn)過程等，向大氣中大量排放二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室氣體。這些增加的溫室氣體增強(qiáng)了地球大氣的紅外吸收能力，導(dǎo)致更多的熱量被困在地表和低層大氣中，引起全球變暖。*異同：*相似性：無論是地球歷史上的自然因素（如火山活動(dòng)導(dǎo)致CO2濃度升高引起溫室效應(yīng)增強(qiáng)，或冰川期大量吸收CO2導(dǎo)致濃度降低）還是當(dāng)前的人為因素，本質(zhì)上都是通過改變大氣中溫室氣體的濃度，進(jìn)而影響地球的能量平衡和表面溫度。*差異性：地球歷史上溫室氣體的變化通常是一個(gè)緩慢的、自然的地質(zhì)或生物地球化學(xué)過程，時(shí)間尺度以千年到百萬年計(jì)。而當(dāng)前由人類活動(dòng)引起的溫室氣體濃度增加則是一個(gè)極其迅速的過程，僅在過去幾十年內(nèi)濃度就達(dá)到了工業(yè)革命前的數(shù)倍，其速度和幅度在地質(zhì)記錄中可能是前所未有的。這種快速變化帶來了更顯著和更緊迫的氣候影響。七、溫室氣體對(duì)于行星宜居性的意義及宜居帶局限性的討論：*意義：溫室效應(yīng)對(duì)于將行星表面溫度維持在允許液態(tài)水存在的范圍內(nèi)至關(guān)重要。液態(tài)水被認(rèn)為是生命存在的關(guān)鍵前提。沒有適量的溫室氣體，行星表面溫度會(huì)過低，水會(huì)凍結(jié)；如果溫室氣體過多或缺乏有效調(diào)節(jié)，溫度會(huì)過高，水會(huì)蒸發(fā)殆盡。因此，存在一個(gè)“溫室效應(yīng)調(diào)節(jié)”的關(guān)鍵范圍，使得行星表面溫度能夠維持在一個(gè)生命可能存在的區(qū)間內(nèi)，這比僅僅基于接收太陽輻射多少的“傳統(tǒng)宜居帶”要復(fù)雜。*宜居帶局限性：“宜居帶”（HabitableZone,HZ）通常是指行星軌道上接收到足夠太陽輻射以允許表面存在穩(wěn)定液態(tài)水的區(qū)域。然而，僅僅位于宜居帶內(nèi)并不足以保證行星擁有適宜生命存在的環(huán)境，因?yàn)椋?缺乏溫室效應(yīng)：如果行星大氣稀薄或缺乏有效的溫室氣體，即使接收到的太陽輻射適中，表面溫度也可能過低，無法維持液態(tài)水。*強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)：如金星所示，過強(qiáng)的溫室效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致表面溫度過高，同樣不適宜生命。*大氣成分與保護(hù)：僅僅有液態(tài)水還不夠，還需要有適