2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星磁場(chǎng)生成和演化過程考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.地球內(nèi)部能夠產(chǎn)生全球性磁場(chǎng)的核心區(qū)域主要是？A.地幔B.地殼C.外核D.莫霍界面2.在行星磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)理論中，"αΩ"理論主要描述了以下哪個(gè)過程？A.導(dǎo)體物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)B.磁場(chǎng)能量的來源C.磁場(chǎng)與導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)之間的耦合D.潮汐力的作用機(jī)制3.與地球相比，木星磁場(chǎng)異常強(qiáng)大的主要原因是？A.地核直徑更大B.自轉(zhuǎn)速度更快C.外核液態(tài)區(qū)域更廣闊D.接收到的太陽風(fēng)強(qiáng)度更高4.地球古地磁記錄中發(fā)現(xiàn)的極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，主要提供了關(guān)于地球磁場(chǎng)演化的哪方面信息？A.磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化B.磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化C.磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)制的變化D.地球自轉(zhuǎn)速率的變化5.潮汐加熱對(duì)行星磁場(chǎng)生成和演化主要起到的作用是？A.直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)B.提供能量給核心C.增加行星自轉(zhuǎn)速率D.改變行星軌道6.以下哪個(gè)行星被普遍認(rèn)為其磁場(chǎng)主要或完全由外部電流產(chǎn)生？A.地球B.火星C.木星D.金星7.磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）發(fā)電機(jī)理論適用于描述哪種環(huán)境下的磁場(chǎng)生成？A.固態(tài)巖石圈B.液態(tài)金屬核心C.氣態(tài)行星的星云D.液態(tài)水海洋8.行星磁場(chǎng)的強(qiáng)度通常與其核心的什么屬性密切相關(guān)？A.表面溫度B.化學(xué)成分C.外部大氣密度D.距離太陽的距離9.當(dāng)行星缺乏全球性內(nèi)部磁場(chǎng)時(shí)，其主要表現(xiàn)通常是？A.具有強(qiáng)烈的環(huán)系B.擁有密集的星子撞擊坑C.磁層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或不存在D.地表溫度極高10.能夠記錄地球古地磁極性方向的結(jié)構(gòu)或巖石類型是？A.礦床B.熔巖巖流C.沉積巖層D.地質(zhì)斷層二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.行星磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)理論的核心是______效應(yīng)，即運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)電流體能夠產(chǎn)生和維持磁場(chǎng)。2.描述磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的指數(shù)函數(shù)模型中，衰減常數(shù)______與發(fā)電機(jī)效率和核心狀態(tài)有關(guān)。3.古地磁學(xué)通過研究巖石中的______來推斷古代地磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度。4.木星和土星磁場(chǎng)的來源被認(rèn)為是其快速自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的______發(fā)電機(jī)。5.行星核心的成分，特別是鐵鎳的比例，直接影響其是否能夠維持______狀態(tài)并產(chǎn)生磁場(chǎng)。6.潮汐應(yīng)力可以導(dǎo)致行星核心與幔之間的______，從而影響磁場(chǎng)演化。7.除了內(nèi)部發(fā)電機(jī)，像木星這樣的行星還可能通過其______與太陽風(fēng)的相互作用產(chǎn)生部分磁場(chǎng)。8.磁極性反轉(zhuǎn)期間，地球磁場(chǎng)可能經(jīng)歷一個(gè)短暫的______時(shí)期，此時(shí)磁力線混亂且強(qiáng)度減弱。9.火星目前磁場(chǎng)相對(duì)微弱，部分原因可能與其核心部分已______，失去了足夠的對(duì)流活動(dòng)。10.研究行星磁場(chǎng)演化歷史的一種重要方法是分析不同高度和緯度處觀測(cè)到的行星______的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述流體動(dòng)力學(xué)發(fā)電機(jī)理論的基本思想。2.比較內(nèi)發(fā)電機(jī)模型和外發(fā)電機(jī)模型的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)要說明潮汐加熱如何影響行星的磁場(chǎng)生成。4.古地磁學(xué)的研究主要能夠揭示關(guān)于行星磁場(chǎng)演化的哪些信息？四、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)分析影響行星產(chǎn)生全球性磁場(chǎng)的內(nèi)部因素，并舉例說明。2.以地球和火星為例，比較說明兩者磁場(chǎng)特征的差異及其可能的原因。3.討論行星磁場(chǎng)對(duì)于評(píng)估行星宜居性可能扮演的角色，并指出當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.A5.B6.D7.B8.B9.C10.B二、填空題1.磁場(chǎng)2.衰減常數(shù)λ(或直接寫λ)3.磁化礦物4.雙極性5.對(duì)流6.相對(duì)運(yùn)動(dòng)（或耦合/剪切）7.磁層8.倒轉(zhuǎn)9.固化/冷卻10.磁場(chǎng)三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述流體動(dòng)力學(xué)發(fā)電機(jī)理論的基本思想。答：流體動(dòng)力學(xué)發(fā)電機(jī)理論認(rèn)為，在具有良好導(dǎo)電性的流體（如行星核心的液態(tài)金屬）中，如果存在流體運(yùn)動(dòng)（如對(duì)流或剪切流），并且該流體處于外部磁場(chǎng)中（或自身已有弱磁場(chǎng)），那么通過特定的動(dòng)量傳輸過程（如阿爾文波與流體運(yùn)動(dòng)的作用），磁場(chǎng)線會(huì)被拉伸和扭曲，從而增強(qiáng)局部的磁場(chǎng)。當(dāng)這種過程足夠強(qiáng)烈且持續(xù)時(shí)，就能產(chǎn)生并維持全球性的磁場(chǎng)。其核心在于運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)之間的耦合反饋機(jī)制。2.比較內(nèi)發(fā)電機(jī)模型與外發(fā)電機(jī)模型的主要區(qū)別。答：內(nèi)發(fā)電機(jī)模型認(rèn)為行星的全球性磁場(chǎng)是由行星內(nèi)部（主要是液態(tài)核心）的對(duì)流運(yùn)動(dòng)通過發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生的。其主要驅(qū)動(dòng)力是核心的熱收支（內(nèi)熱和放射性元素衰變熱）。外發(fā)電機(jī)模型則認(rèn)為磁場(chǎng)主要由行星外部產(chǎn)生的電流（如來自星子的環(huán)電流或行星自身大氣/離子層的電流）所形成。其驅(qū)動(dòng)力通常與行星的磁場(chǎng)、自轉(zhuǎn)以及與外部環(huán)境（如太陽風(fēng)、其他天體）的相互作用有關(guān)。內(nèi)發(fā)電機(jī)是行星自身“內(nèi)生”的，而外發(fā)電機(jī)更多是“外源”驅(qū)動(dòng)或與外部環(huán)境的耦合效應(yīng)。3.簡(jiǎn)要說明潮汐加熱如何影響行星的磁場(chǎng)生成。答：潮汐加熱是指天體（如行星、衛(wèi)星）因受到其他天體（如恒星、行星）的引力作用而產(chǎn)生的形變，這種形變導(dǎo)致內(nèi)部摩擦生熱。對(duì)于處于軌道共振或經(jīng)歷劇烈相互作用的行星（如木星的伽利略衛(wèi)星），潮汐加熱可以顯著提高其核心的溫度，維持核心的液態(tài)狀態(tài)或加速核心與幔的混合。核心的液態(tài)狀態(tài)和對(duì)流活動(dòng)是內(nèi)發(fā)電機(jī)模型運(yùn)行的基本前提，因此潮汐加熱通過維持核心的物理狀態(tài)，間接促進(jìn)了行星磁場(chǎng)（特別是內(nèi)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)）的生成和長(zhǎng)期維持。4.古地磁學(xué)的研究主要能夠揭示關(guān)于行星磁場(chǎng)演化的哪些信息？答：古地磁學(xué)研究通過分析來自不同地質(zhì)年代、不同地理位置的巖石樣品中保留的天然剩磁（NRM），能夠揭示古代地磁場(chǎng)的方向（磁偏角和磁傾角）和強(qiáng)度變化。主要可以提供以下信息：①地球（或其他行星）磁場(chǎng)的極性歷史，即古地磁極性年表，用于標(biāo)定地質(zhì)年代；②磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化記錄；③古代地磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的信息；④行星核心狀態(tài)演化的間接證據(jù)（如磁場(chǎng)衰減速率）；⑤理解行星磁場(chǎng)產(chǎn)生和消失的機(jī)制。通過對(duì)比不同行星的古地磁記錄（如果存在），還可以進(jìn)行比較行星學(xué)研究。四、論述題1.詳細(xì)分析影響行星產(chǎn)生全球性磁場(chǎng)的內(nèi)部因素，并舉例說明。答：行星產(chǎn)生全球性磁場(chǎng)的能力主要取決于其內(nèi)部的物理和化學(xué)條件，關(guān)鍵因素包括：*核心的液態(tài)狀態(tài)：磁場(chǎng)生成需要液態(tài)的導(dǎo)電流體。如果核心完全固態(tài)，缺乏流動(dòng)，則無法產(chǎn)生和維持全球性磁場(chǎng)。例如，地球擁有液態(tài)的外核，這是其產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)的基礎(chǔ)，而火星核心可能已部分或完全固化，導(dǎo)致其磁場(chǎng)微弱。*核心的導(dǎo)電性：流體必須是良好的導(dǎo)體。核心的成分（如鐵、鎳的比例）和溫度會(huì)影響其電導(dǎo)率。地球外核的高電導(dǎo)率是發(fā)電機(jī)效應(yīng)得以發(fā)生的條件。*核心的規(guī)模和溫度：核心的半徑越大，通常意味著更多的導(dǎo)體物質(zhì)，有利于磁場(chǎng)的產(chǎn)生。核心的溫度需要足夠高以維持液態(tài)，并驅(qū)動(dòng)核心內(nèi)部的物質(zhì)對(duì)流。木星和土星的核心規(guī)模遠(yuǎn)超地球，且內(nèi)部溫度極高，是其磁場(chǎng)異常強(qiáng)大的內(nèi)部原因。*行星的自轉(zhuǎn)速率：自轉(zhuǎn)能驅(qū)動(dòng)核心內(nèi)的對(duì)流，并通過對(duì)流與磁場(chǎng)的耦合（如αΩ理論中的Ω項(xiàng)）來放大磁場(chǎng)。木星和土星的自轉(zhuǎn)速度非常快（一天分別約10小時(shí)和10.7小時(shí)），這是其磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)超地球的重要原因。*內(nèi)部熱流：內(nèi)部熱（來自放射性元素衰變、核心結(jié)晶釋放的潛熱等）是驅(qū)動(dòng)核心對(duì)流的主要能量來源。地球內(nèi)部的熱流由核心-幔邊界的熱傳導(dǎo)提供，維持了外核的對(duì)流。*核心-幔邊界過程：核心與幔之間的物理和化學(xué)交換（如元素沉析、熱傳導(dǎo)）會(huì)影響核心的熱量和物質(zhì)狀態(tài)，進(jìn)而影響磁場(chǎng)。綜上，一個(gè)行星能否產(chǎn)生全球性磁場(chǎng)，是其核心的液態(tài)性、導(dǎo)電性、規(guī)模、溫度、自轉(zhuǎn)速率以及內(nèi)部熱流等多種內(nèi)部因素綜合作用的結(jié)果。2.以地球和火星為例，比較說明兩者磁場(chǎng)特征的差異及其可能的原因。答：地球與火星的磁場(chǎng)特征存在顯著差異：*地球：擁有強(qiáng)大且全球性的偶極磁場(chǎng)，強(qiáng)度約25微特斯拉，覆蓋整個(gè)球體。磁場(chǎng)隨時(shí)間存在緩慢衰減，并記錄著長(zhǎng)期的極性反轉(zhuǎn)歷史。內(nèi)部存在液態(tài)外核，地質(zhì)活動(dòng)活躍，內(nèi)部熱流較高。*火星：擁有微弱的、局部的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的磁場(chǎng)，強(qiáng)度遠(yuǎn)低于地球（通常小于1納特斯拉），且主要集中在其南半球，北半球主要是弱的剩磁背景。缺乏全球性偶極磁場(chǎng)，沒有明顯的極性反轉(zhuǎn)記錄。內(nèi)部核心可能已部分或完全固化，地質(zhì)活動(dòng)長(zhǎng)期不活躍，內(nèi)部熱流顯著降低。造成兩者磁場(chǎng)差異的主要原因可能在于：*核心狀態(tài)：最核心的差異可能在于核心的狀態(tài)。地球外核保持液態(tài)，支持活躍的對(duì)流和內(nèi)發(fā)電機(jī)模型。而火星核心可能由于早期冷卻更快、放射性元素含量較低或潮汐加熱效應(yīng)不足等原因，已經(jīng)部分或完全固化，導(dǎo)致失去了產(chǎn)生全球性磁場(chǎng)的基礎(chǔ)。*自轉(zhuǎn)速率：火星的自轉(zhuǎn)速率比地球慢（約24.6小時(shí)），可能不足以驅(qū)動(dòng)像地球那樣規(guī)模的核心對(duì)流或維持強(qiáng)烈的磁場(chǎng)耦合。*內(nèi)部熱和物質(zhì)循環(huán)：地球內(nèi)部熱流較高，核心與幔之間的物質(zhì)交換（如地幔對(duì)流）更活躍，這可能有助于維持核心的液態(tài)和對(duì)流。火星內(nèi)部熱流低，物質(zhì)循環(huán)緩慢，不利于維持液態(tài)核心和活躍的磁場(chǎng)生成過程。*歷史演化路徑：地球在漫長(zhǎng)的歷史中經(jīng)歷了持續(xù)的內(nèi)部加熱和物質(zhì)循環(huán)，使得內(nèi)發(fā)電機(jī)得以長(zhǎng)期運(yùn)行。而火星可能在早期有過短暫的活躍期，隨后逐漸冷卻并停止了大規(guī)模的內(nèi)部活動(dòng)。因此，火星和地球磁場(chǎng)特征的巨大差異主要?dú)w因于兩者內(nèi)部核心狀態(tài)和整體內(nèi)部活躍程度的根本不同，這反映了它們不同的地質(zhì)演化歷史。3.討論行星磁場(chǎng)對(duì)于評(píng)估行星宜居性可能扮演的角色，并指出當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)。答：行星磁場(chǎng)在評(píng)估行星宜居性方面扮演著重要角色，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：*抵御太陽風(fēng)和星際介質(zhì)：行星磁場(chǎng)可以形成磁層，像一個(gè)保護(hù)罩一樣偏轉(zhuǎn)高能帶電粒子（太陽風(fēng)）流，防止其直接轟擊行星表面。這有助于保護(hù)行星表面的有機(jī)分子，維持大氣層不被過度剝離，為生命提供相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。沒有磁場(chǎng)的行星（如金星）大氣層就被太陽風(fēng)嚴(yán)重侵蝕。*保護(hù)地表免受輻射：強(qiáng)大的磁層可以有效地將大部分來自太陽和宇宙的高能輻射（如質(zhì)子、α粒子）阻擋在磁層外部，顯著降低地表和低層大氣的輻射劑量。這對(duì)于地表生命的存在和演化至關(guān)重要?；鹦悄壳按艌?chǎng)微弱，其表面暴露于較高的宇宙射線和太陽粒子事件中。*間接指示核心活動(dòng)和地質(zhì)活躍性：磁場(chǎng)的存在（尤其是全球性、動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)）通常暗示著行星內(nèi)部存在液態(tài)核心和對(duì)流活動(dòng)，這往往與板塊構(gòu)造、火山活動(dòng)等地質(zhì)過程相關(guān)聯(lián)?；钴S的地質(zhì)活動(dòng)有助于構(gòu)建和維持宜居的大氣層，并可能提供生命所需的化學(xué)物質(zhì)和能量。木星的強(qiáng)烈磁場(chǎng)與其活躍的火山活動(dòng)（通過其衛(wèi)星）都反映了其內(nèi)部的高能量狀態(tài)。然而，在利用磁場(chǎng)評(píng)估宜居性時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)：*磁場(chǎng)來源的多樣性：行星磁場(chǎng)的來源可能是內(nèi)生的（如地球），也可能是外生的（如木星的部分磁場(chǎng)），或者是兩者疊加的。僅僅存在磁場(chǎng)并不能完全保證是內(nèi)生核心活動(dòng)的結(jié)果。*磁場(chǎng)強(qiáng)度和形態(tài)的局限性：磁場(chǎng)的強(qiáng)度和形態(tài)并不總是與宜居性直接相關(guān)。例如，木星磁場(chǎng)極強(qiáng)，但其大氣成分和極端環(huán)境對(duì)生命（如我們理解的）并不友好。同時(shí)，一些宜居帶內(nèi)的行星可能沒有明顯的全球性磁場(chǎng)（如火星）。*