2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星內(nèi)核結(jié)構(gòu)和磁場生成考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填入括號內(nèi)。）1.地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，由固態(tài)鐵鎳核心和液態(tài)鐵鎳外核組成的圈層是？A.地幔B.地核C.地殼D.莫霍洛維奇面2.地球內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生分異的主要驅(qū)動力是？A.自轉(zhuǎn)離心力B.內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量C.太陽風(fēng)壓力D.隕石撞擊能量3.構(gòu)成地球液態(tài)外核的主要元素是？A.硅和氧B.鐵和鎳C.鈉和鉀D.水和二氧化碳4.連接地球固態(tài)內(nèi)核與地幔的邊界被稱為？A.莫霍洛維奇面B.古登堡面C.球面邊界D.核幔邊界5.地球磁場非偶極項的存在，主要表明？A.地球核心完全固態(tài)B.地球核心完全液態(tài)C.地核與地幔之間存在劇烈對流D.地球自轉(zhuǎn)速度顯著變化6.地磁發(fā)電機理論（DynamoTheory）的核心思想是？A.磁場可以自發(fā)產(chǎn)生于流動的導(dǎo)體中B.磁場主要源于地核內(nèi)部放射性元素的衰變C.磁場是地球自轉(zhuǎn)的直接結(jié)果D.磁場僅存在于地球的固態(tài)核心部分7.木星擁有強磁場的原因最可能與其有關(guān)？A.較小的核心半徑B.較高的內(nèi)部鐵鎳含量C.更大的液態(tài)金屬氫層規(guī)模和導(dǎo)電性D.更慢的自轉(zhuǎn)周期8.內(nèi)核結(jié)晶過程對地球磁場產(chǎn)生重要影響，其主要機制是？A.直接產(chǎn)生永久磁鐵B.改變外核的成分和熱狀態(tài)，進(jìn)而影響外核對流C.增加內(nèi)核的轉(zhuǎn)動速度D.抑制地幔的熱傳導(dǎo)9.古地磁學(xué)研究中，發(fā)現(xiàn)地球磁極發(fā)生過反轉(zhuǎn)，這間接證明了？A.地球地幔曾經(jīng)是液態(tài)的B.地球核心曾經(jīng)是固態(tài)的C.地球內(nèi)部存在液態(tài)外核的對流運動D.地球自轉(zhuǎn)方向發(fā)生過改變10.與地球相比，天王星和海王星磁場異常弱且傾斜，這可能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有何不同？A.缺乏液態(tài)導(dǎo)電層B.核心太小C.磁場主要由內(nèi)核的固有磁化產(chǎn)生D.自轉(zhuǎn)軸幾乎“躺平”二、填空題（每題2分，共20分。請將答案填入橫線上。）1.地球內(nèi)部熱量主要來源于放射性元素（如鈾、釷、鉀）的__________衰變。2.地球液態(tài)外核的對流是地磁發(fā)電機得以運行的關(guān)鍵條件之一，這種對流主要由__________和__________驅(qū)動。3.地球磁場的強度通常用__________來衡量，其方向可以用__________和__________來描述。4.根據(jù)地磁發(fā)電機理論，地球的液態(tài)外核需要具備足夠的__________、__________和__________。5.科學(xué)家通過分析隕石（如球粒隕石）的成分，推測早期地球核心主要由__________和__________構(gòu)成。6.木星磁場的強度約為地球磁場的__________倍，其磁偶極矩更是地球的數(shù)千倍。7.內(nèi)核結(jié)晶過程中，從液態(tài)外核中析出的鐵鎳晶體帶走了熱量，并可能攜帶__________，從而影響外核的成分和對流。8.磁極反轉(zhuǎn)事件在地球古地磁記錄中留下了明顯的__________，如__________和__________。9.除了地球，太陽系中已知存在顯著全球性磁場的行星還有__________、__________和__________。10.地球自轉(zhuǎn)速度的長期緩慢減慢，被認(rèn)為與__________的角動量交換有關(guān)。三、名詞解釋（每題3分，共15分。請給出每個名詞的簡要定義或解釋。）1.行星內(nèi)核分異2.地核-地幔邊界（CMB）3.地磁發(fā)電機效應(yīng)4.磁偶極子5.古地磁學(xué)四、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述地球內(nèi)部熱量的主要來源及其對內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化的影響。2.與固態(tài)核心相比，液態(tài)核心為何更有利于地磁發(fā)電機的運行？3.簡述Dyson-Farrington效應(yīng)的基本概念及其對理解地球磁場演化的意義。4.為什么說行星的磁場特征（是否存在、強度、形態(tài)）與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（特別是內(nèi)核狀態(tài)）密切相關(guān)？五、論述題（每題10分，共20分。請結(jié)合所學(xué)知識，深入分析和闡述下列問題。）1.試述地磁發(fā)電機理論的基本要素，并解釋為何地球能夠維持長期穩(wěn)定的全球性磁場，而金星和火星則無法做到。2.結(jié)合對其他行星（如木星、土星、天王星、海王星）內(nèi)核和磁場的研究，探討行星的初始質(zhì)量、成分、半徑以及演化歷史如何共同塑造其最終的磁場特征。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.D5.C6.A7.C8.B9.C10.A二、填空題1.放射性2.熱對流，成分對流3.磁感應(yīng)強度（或磁場強度），磁傾角，磁偏角4.導(dǎo)電性，運動（對流），導(dǎo)磁率5.鐵，鎳6.20（或約20）7.硫，氧等輕元素8.布容極性帶，極性反轉(zhuǎn)事件9.木星，土星，天王星10.外核三、名詞解釋1.行星內(nèi)核分異：指在行星形成早期或演化過程中，由于重力和熱量作用，使得行星內(nèi)部不同成分（如鐵、鎳、硅酸鹽等）按照密度發(fā)生分層，密度大的物質(zhì)（如鐵、鎳）沉向中心形成內(nèi)核，密度較小的物質(zhì)則向上形成地幔和地殼的過程。2.地核-地幔邊界（CMB）：指地球固態(tài)內(nèi)核（SIC）與液態(tài)外核（LIC）之間的物理界面，位于地下約2900公里處。這是一個復(fù)雜的過渡帶，涉及物質(zhì)狀態(tài)、物理性質(zhì)（如聲速）的劇烈變化。3.地磁發(fā)電機效應(yīng)：指在具有導(dǎo)電性、液態(tài)、存在運動（對流）以及足夠?qū)Т怕实慕橘|(zhì)中，運動中的電流可以產(chǎn)生磁場，而該磁場又可以進(jìn)一步影響導(dǎo)電介質(zhì)的運動，形成自我維持和增強的磁場生成循環(huán)的現(xiàn)象。4.磁偶極子：指一個能產(chǎn)生磁場的基本單元，通常由兩個等量異號的磁極（N極和S極）組成，并且磁力線從N極發(fā)出回到S極，具有特定的磁偶極矩矢量。5.古地磁學(xué)：指利用巖石、沉積物或天然磁鐵礦中保存的地球磁化方向信息，來研究地球過去的磁場特征（強度、極性、變化等）以及地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和地球演化歷史的一門學(xué)科。四、簡答題1.簡述地球內(nèi)部熱量的主要來源及其對內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化的影響。答：地球內(nèi)部熱量的主要來源是放射性元素（鈾、釷、鉀）的衰變。此外，早期行星形成時的殘余熱量和核心形成時的重力能也是重要貢獻(xiàn)者。這些熱量使得地球內(nèi)部（特別是地核和地幔）保持高溫狀態(tài)。高溫維持了地核的液態(tài)狀態(tài)（外核）和地幔的部分熔融，驅(qū)動著地幔的對流，這是板塊構(gòu)造、地幔對流以及地?zé)峄顒拥母緞恿?。同時，熱量也驅(qū)動著地磁發(fā)電機的運行，產(chǎn)生地球的全球磁場，并影響內(nèi)核的結(jié)晶過程和地球自轉(zhuǎn)的長期變化。2.與固態(tài)核心相比，液態(tài)核心為何更有利于地磁發(fā)電機的運行？答：地磁發(fā)電機效應(yīng)依賴于導(dǎo)電的流體（通常是液態(tài)金屬）的運動。固態(tài)物質(zhì)（如固態(tài)鐵鎳）的離子被固定在晶格中，難以大規(guī)模流動以產(chǎn)生驅(qū)動發(fā)電機的電流。而液態(tài)核心具有良好的導(dǎo)電性，并且可以因為熱對流等原因發(fā)生大規(guī)模的流動。這種流動的液態(tài)導(dǎo)體在變化的磁場中切割磁力線，或電流自身產(chǎn)生磁場，進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動電流的洛倫茲力，形成正反饋循環(huán)，從而能夠產(chǎn)生和維持強大的全球性磁場。因此，液態(tài)導(dǎo)電層是地磁發(fā)電機運行的關(guān)鍵。3.簡述Dyson-Farrington效應(yīng)的基本概念及其對理解地球磁場演化的意義。答：Dyson-Farrington效應(yīng)描述了地球固態(tài)內(nèi)核在生長（結(jié)晶）過程中，如何通過攜帶部分外核的熔融物質(zhì)（富含硫等輕元素）上浮，從而改變外核的成分和熱狀態(tài)。內(nèi)核結(jié)晶會消耗外核的熱量，并使上浮的晶體將輕元素帶入外核，這會改變外核的密度、粘度、電導(dǎo)率等物理性質(zhì)，進(jìn)而影響外核的對流模式和地磁場的強度、形態(tài)及其隨時間的變化。該效應(yīng)解釋了為何地球的磁場強度和形態(tài)在漫長的地質(zhì)歷史中會發(fā)生顯著變化，是理解古地磁記錄信息的關(guān)鍵。4.為什么說行星的磁場特征（是否存在、強度、形態(tài)）與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（特別是內(nèi)核狀態(tài)）密切相關(guān)？答：行星的磁場主要由其內(nèi)部的地磁發(fā)電機產(chǎn)生。磁場的存在、強度和形態(tài)取決于地磁發(fā)電機運行的幾個關(guān)鍵條件：①存在足夠規(guī)模和導(dǎo)電性的液態(tài)金屬層（通常是液態(tài)外核）；②該液態(tài)層存在有效的運動（對流）；③液態(tài)層具有合適的導(dǎo)磁率。這些條件又與行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)：行星需要足夠的質(zhì)量和溫度以維持核心的液態(tài)狀態(tài)；核心的成分（如鐵鎳比例）影響其導(dǎo)電性；行星的自轉(zhuǎn)速度影響驅(qū)動對流的機械能輸入；行星的半徑和初始成分決定了核心的大小和狀態(tài)。因此，行星的半徑、質(zhì)量、成分、溫度分布和自轉(zhuǎn)狀態(tài)共同決定了其內(nèi)核的物理狀態(tài)，進(jìn)而決定了其是否擁有磁場以及磁場的具體特征。五、論述題1.試述地磁發(fā)電機理論的基本要素，并解釋為何地球能夠維持長期穩(wěn)定的全球性磁場，而金星和火星則無法做到。答：地磁發(fā)電機理論的基本要素包括：①一個足夠規(guī)模和密度的液態(tài)導(dǎo)電核心（通常是液態(tài)鐵鎳）；②核心中存在由熱量驅(qū)動（內(nèi)熱或與地幔對流的耦合）的大規(guī)模對流運動；③核心材料具有足夠高的電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率。地球能夠維持長期穩(wěn)定的全球性磁場，主要是因為其具有一個規(guī)模巨大、成分以鐵鎳為主的液態(tài)外核，并且內(nèi)部熱流sufficientenough保持了外核的液態(tài)和對流。持續(xù)的對流在核心中驅(qū)動地磁發(fā)電機，產(chǎn)生并維持了一個強大的偶極磁場。此外，地球地幔的固態(tài)性質(zhì)和對流模式也可能與內(nèi)核動力學(xué)形成某種穩(wěn)定耦合，有助于磁場的長期維持。相比之下，金星缺乏全球性磁場，可能是因為其核心早已完全固態(tài)化，或者其核心-地幔系統(tǒng)缺乏有效驅(qū)動發(fā)電機運行的條件（如缺乏足夠的熱量或核心成分問題）?；鹦莿t擁有一個微弱的偶極磁場，這表明其可能仍有一個液態(tài)內(nèi)核，但規(guī)模較小、成分可能不同（含有更多輕元素），導(dǎo)致發(fā)電機的輸出功率很低，且磁場可能很不穩(wěn)定，容易受到內(nèi)部狀態(tài)變化的影響而衰減。2.結(jié)合對其他行星（如木星、土星、天王星、海王星）的研究，探討行星的初始質(zhì)量、成分、半徑以及演化歷史如何共同塑造其最終的磁場特征。答：不同行星的磁場特征反映了它們獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)狀態(tài)，這深受其形成和演化過程的影響。木星和土星擁有極其強大的全球性磁場，遠(yuǎn)超地球，這主要歸因于它們巨大的初始質(zhì)量，使得它們能夠捕獲并維持一個廣闊的液態(tài)金屬氫層（或部分熔融的金屬氫層）作為強大的導(dǎo)電介質(zhì)。強大的內(nèi)部熱量（來自核心和核心-幔邊界）驅(qū)動著這巨大液態(tài)層中激烈的對流，支撐著高效運行的地磁發(fā)電機。它們的磁場形態(tài)（如木星復(fù)雜的非偶極項）也與其快速的自轉(zhuǎn)和復(fù)雜的內(nèi)部對流模式有關(guān)。天王星和海王星的磁場則非常奇特：強度弱、傾角大、偏角也很大，且偶極性不強。這被認(rèn)為與它們較小的初始質(zhì)量可能未能