2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——探測器對(duì)星體大氣物質(zhì)成分的探測考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.以下哪種儀器主要用于通過測量大氣對(duì)激光的散射程度來探測大氣成分和結(jié)構(gòu)？A.光譜儀B.質(zhì)譜儀C.激光雷達(dá)D.磁力計(jì)2.在分析行星大氣成分時(shí)，利用某特定原子或分子吸收或發(fā)射的特定波長光譜線，這種技術(shù)屬于？A.質(zhì)譜分析B.光譜分析C.核磁共振D.頻率調(diào)制3.以下哪種光譜區(qū)域?qū)μ綔y行星大氣中的水蒸氣、二氧化碳等主要成分最為敏感？A.可見光區(qū)域B.紫外區(qū)域C.紅外區(qū)域D.倫琴射線區(qū)域4.空間探測器上用于探測和研究行星大氣的儀器，通常被稱為？A.成像儀B.磁力計(jì)C.大氣分析儀D.氣相色譜儀5.以下哪種探測器主要用于根據(jù)離子質(zhì)量和電荷比來分離和識(shí)別大氣中的離子成分？A.光譜儀B.質(zhì)譜儀C.激光雷達(dá)D.聲波探測器6.當(dāng)探測器接收到的信號(hào)強(qiáng)度與大氣成分濃度成正比時(shí)，這種定標(biāo)方式被稱為？A.相對(duì)定標(biāo)B.絕對(duì)定標(biāo)C.校準(zhǔn)曲線法D.內(nèi)標(biāo)法7.以下哪項(xiàng)不是影響光譜線強(qiáng)度的主要因素？A.大氣成分濃度B.光譜儀靈敏度C.行星表面溫度D.探測器與行星的距離8.在進(jìn)行大氣成分反演時(shí)，需要已知或估計(jì)的參數(shù)通常包括？A.光譜儀分辨率B.行星大氣溫度廓線C.探測器噪聲水平D.以上所有9.以下哪種技術(shù)可以用于探測行星大氣中的微量氣體成分？A.傅里葉變換紅外光譜B.可見光成像C.毫米波雷達(dá)D.液體光譜儀10.對(duì)探測器獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲濾除、信號(hào)校準(zhǔn)等處理，屬于數(shù)據(jù)處理的哪個(gè)階段？A.數(shù)據(jù)采集B.數(shù)據(jù)預(yù)處理C.數(shù)據(jù)分析D.數(shù)據(jù)可視化二、填空題1.利用探測器發(fā)射激光并測量其與大氣相互作用后的返回信號(hào)來探測大氣，這種技術(shù)稱為________。2.光譜線強(qiáng)度與大氣成分濃度之間的關(guān)系，通常需要通過________來確定。3.質(zhì)譜儀通過測量________來分離和識(shí)別大氣中的離子成分。4.探測器在可見光區(qū)域主要探測大氣中的________和________等成分。5.為了提高大氣成分探測的精度，需要采用________或________等定標(biāo)方法。6.大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)反演過程中，需要考慮大氣________和________等因素對(duì)光譜的影響。7.探測器獲取的原始數(shù)據(jù)中通常包含各種________，需要進(jìn)行濾除處理。8.紅外光譜區(qū)域?qū)μ綔y大氣中的________、________和________等成分非常有效。9.利用特征光譜線識(shí)別大氣中的分子或原子，是基于________的原理。10.對(duì)大氣成分進(jìn)行定量分析，需要建立光譜線強(qiáng)度與________之間的定量關(guān)系。三、簡答題1.簡述光譜儀探測行星大氣成分的基本原理。2.比較質(zhì)譜儀和光譜儀在探測行星大氣成分方面的優(yōu)缺點(diǎn)。3.解釋什么是大氣窗口，并說明選擇大氣窗口的重要性。4.簡述激光雷達(dá)探測行星大氣成分的原理及其主要應(yīng)用。5.探測器獲取的大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)中可能存在哪些誤差來源？四、計(jì)算題1.某探測器在紅外光譜區(qū)域探測到某行星大氣中某成分的特征吸收光譜線，測得光譜線強(qiáng)度為1000個(gè)單位。已知該光譜線強(qiáng)度與該成分濃度成正比，比例系數(shù)為0.05個(gè)單位/(ppm)。請(qǐng)計(jì)算該成分的濃度是多少ppm？（ppm表示百萬分率）2.假設(shè)某行星大氣溫度隨高度升高而線性下降，溫度遞減率為6K/km。探測器在距離該行星表面10km和20km處分別探測到某大氣成分的特征光譜線，強(qiáng)度分別為500個(gè)單位和300個(gè)單位。請(qǐng)估算該成分在10km和20km處的濃度比值。（假設(shè)其他因素對(duì)光譜線強(qiáng)度的影響可以忽略）五、論述題1.探討當(dāng)前探測器在探測系外行星大氣成分方面面臨的主要挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。2.分析大氣成分探測數(shù)據(jù)在研究行星氣候變遷中的作用和意義。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.B6.B7.C8.D9.A10.B二、填空題1.激光雷達(dá)2.校準(zhǔn)曲線3.離子質(zhì)量和電荷比4.氧氣，氮?dú)?.絕對(duì)定標(biāo)，相對(duì)定標(biāo)6.密度，溫度7.噪聲8.水蒸氣，二氧化碳，甲烷9.物質(zhì)吸收或發(fā)射特定波長的光10.大氣成分濃度三、簡答題1.解析思路：首先說明光譜儀通過接收來自行星大氣的反射光或散射光。然后解釋這些光在穿過大氣層時(shí)，會(huì)被大氣中的不同成分選擇性吸收或發(fā)射特定波長的光譜線。最后說明通過分析這些特征光譜線的存在與否、強(qiáng)度大小，可以識(shí)別大氣成分的種類和相對(duì)含量。2.解析思路：先說明光譜儀通過測量不同波長光的強(qiáng)度變化來探測成分，適用于探測大量存在成分和某些特定波長的吸收/發(fā)射。然后指出其缺點(diǎn)是無法直接提供成分的質(zhì)量信息。接著說明質(zhì)譜儀通過測量離子質(zhì)量和電荷比來分離和識(shí)別成分，適用于探測痕量氣體和需要確定元素組成的場景。最后指出其缺點(diǎn)是對(duì)儀器要求高，成本較貴，且對(duì)中性氣體探測能力有限。3.解析思路：首先解釋大氣窗口是指大氣對(duì)特定波長范圍的光透明度較高的區(qū)域。然后說明選擇大氣窗口的重要性在于，只有位于大氣窗口內(nèi)的電磁波才能有效穿透大氣層到達(dá)探測器，從而保證能夠接收到來自大氣成分的信息。如果選擇的光譜區(qū)域被大氣強(qiáng)烈吸收，則無法探測到有效信號(hào)。4.解析思路：首先說明激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖并接收其與大氣相互作用后的返回信號(hào)（散射光）來探測大氣。然后解釋大氣中的粒子或分子會(huì)散射激光，散射光的強(qiáng)度和特性與大氣成分、密度、溫度等參數(shù)有關(guān)。最后說明其主要應(yīng)用包括探測大氣邊界層高度、溫度廓線、水汽分布、云層特性以及特定成分（如臭氧、二氧化氮）的濃度分布等。5.解析思路：首先從探測器本身角度，指出探測器噪聲、儀器校準(zhǔn)誤差、光路系統(tǒng)缺陷等都可能引入誤差。然后從數(shù)據(jù)處理角度，指出大氣模型誤差、數(shù)值計(jì)算方法誤差、數(shù)據(jù)融合問題等都可能導(dǎo)致誤差。最后從大氣本身角度，指出大氣湍流、云層遮擋、成分不均勻性等因素也會(huì)影響探測精度。四、計(jì)算題1.解析思路：利用公式強(qiáng)度=k*濃度，其中k=0.05，強(qiáng)度=1000。解出濃度=強(qiáng)度/k=1000/0.05=20000ppm。答案：20000ppm2.解析思路：根據(jù)Beer-Lambert定律的簡化形式（假設(shè)路徑長度相同），光譜線強(qiáng)度與濃度成正比。因此，濃度比等于光譜線強(qiáng)度比。濃度比=500/300=5/3。由于溫度隨高度線性下降，使用理想氣體狀態(tài)方程的簡化形式p(z)=p0*exp(-Mgh/R)，其中h為高度差，g為重力加速度，M為平均摩爾質(zhì)量，R為氣體常數(shù)。濃度與壓強(qiáng)成正比，因此濃度比也可以表示為[n(z1)/n(z2)]=[p(z1)/p(z2)]=exp(Mgh/R)。利用高度差Δh=20km-10km=10km，重力加速度g≈9.8m/s2，平均摩爾質(zhì)量M(混合大氣)估算為~30kg/kmol，氣體常數(shù)R=8.314J/(mol·K)，計(jì)算exp((30*10^3*9.8*10^4)/(8.314*300))≈exp(1178.4)，這個(gè)結(jié)果顯然不合理，說明假設(shè)溫度線性下降且使用簡化Beer-Lambert定律在此場景下過于簡化，實(shí)際情況需要考慮更復(fù)雜的大氣模型和光譜線形效應(yīng)。如果題目意圖是簡單比值計(jì)算，則答案為5/3。如果題目要求更精確計(jì)算，則題目本身設(shè)置可能存在問題或需要更詳細(xì)的信息。假設(shè)題目僅要求強(qiáng)度比即濃度比：答案：5/3五、論述題1.解析思路：首先，指出系外行星距離遙遠(yuǎn)，大氣Opacity大，導(dǎo)致信號(hào)微弱，這是主要挑戰(zhàn)。其次，探測器分辨率有限，難以區(qū)分大氣層與恒星或行星盤。再次，大氣模型不確定性大，影響反演精度。然后，展望未來發(fā)展方向，包括開發(fā)更高靈敏度、更高分辨率的望遠(yuǎn)鏡和探測器，發(fā)展更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和反演算法，結(jié)合多種觀測手段（如空間望遠(yuǎn)鏡、地基望遠(yuǎn)鏡、模擬計(jì)算），以及重點(diǎn)關(guān)注宜居帶行星的大氣成分，特別是生命相關(guān)標(biāo)志氣體（如氧氣、甲烷）的探