2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——恒星輻射對(duì)行星表面氣溫分布的影響機(jī)制考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，一個(gè)黑體的輻射總功率與其絕對(duì)溫度的四次方成正比。對(duì)于接收相同恒星輻射的行星，其表面溫度主要取決于（）。A.行星大氣成分B.行星表面反照率C.行星的自轉(zhuǎn)速度D.行星與恒星的距離2.“反照率”是指地表或大氣層反射的太陽(yáng)輻射能量與入射太陽(yáng)輻射能量的比值。以下哪個(gè)選項(xiàng)描述了高反照率表面的特性？（）A.容易吸收大量太陽(yáng)輻射B.能有效發(fā)射紅外輻射C.對(duì)行星整體溫度貢獻(xiàn)較小D.通常由深色、粗糙的材質(zhì)構(gòu)成3.行星自轉(zhuǎn)對(duì)其表面溫度分布的主要影響是（）。A.增加行星接收到的總能量B.導(dǎo)致行星出現(xiàn)極晝極夜現(xiàn)象C.減小行星表面的晝夜溫差D.改變行星的軌道半長(zhǎng)軸4.地球存在顯著的“溫室效應(yīng)”，其主要原因是（）。A.地球表面吸收了過(guò)多的太陽(yáng)可見(jiàn)光B.地球大氣中某些氣體（如CO2）吸收了地表發(fā)射的紅外輻射C.地球自轉(zhuǎn)速度較快D.地球距離太陽(yáng)較近5.與類(lèi)地行星相比，氣態(tài)巨行星（如木星）表面（低層大氣）溫度較高的主要原因是（）。A.接收到的恒星輻射更多B.其自身內(nèi)部產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)大于吸收的恒星輻射C.大氣層非常厚重，反照率低D.軸向傾角更大，季節(jié)變化更劇烈6.恒星的光譜類(lèi)型（如O型、B型、G型等）主要反映了恒星的（）。A.大小B.年齡C.表面溫度和光度D.距離地球的遠(yuǎn)近7.行星的“軸向傾角”（地軸傾角）是指其自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面的夾角。它主要導(dǎo)致行星表面出現(xiàn)（）。A.光照強(qiáng)度的季節(jié)變化B.恒星光譜的季節(jié)性變化C.大氣成分的季節(jié)性變化D.自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性變化8.當(dāng)行星大氣層非常稀薄或不存在時(shí)，行星表面的溫度分布主要受（）支配？A.大氣環(huán)流輸送B.輻射能量平衡C.地表與空間的直接輻射交換D.地下熱流9.如果一個(gè)行星位于其恒星的“宜居帶”內(nèi)，但具有極厚、且完全吸收所有紅外輻射的大氣層，那么該行星表面（低層大氣）的溫度可能會(huì)（）。A.遠(yuǎn)低于其有效溫度B.接近其有效溫度C.遠(yuǎn)高于其有效溫度D.無(wú)法確定，取決于大氣具體成分10.對(duì)比金星和地球，導(dǎo)致金星表面溫度遠(yuǎn)高于地球的主要因素是（）。A.金星接收到的恒星輻射強(qiáng)度更大B.金星自轉(zhuǎn)速度比地球慢C.金星擁有比地球更厚、更有效的溫室大氣層D.金星比地球的軸向傾角更大二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中的橫線上）1.恒星輻射的能量分布在_________波段，其中大部分能量集中在可見(jiàn)光和紅外波段。2.當(dāng)物體溫度升高時(shí)，其輻射能量的峰值波長(zhǎng)會(huì)向_________（填“短波”或“長(zhǎng)波”）移動(dòng)（根據(jù)維恩位移定律）。3.行星表面的實(shí)際溫度通常低于其僅考慮輻射平衡計(jì)算出的_________溫度。4.除了反照率，影響行星能量平衡的另一重要因素是行星大氣的_________（填“吸收”或“反射”）能力。5.地球大氣中的_________和水蒸氣是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w成分。6.行星的自轉(zhuǎn)可以導(dǎo)致其表面出現(xiàn)_________差異，但這種差異通常小于由軸向傾角和緯度引起的差異。7.根據(jù)開(kāi)普勒第三定律，行星公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道半長(zhǎng)軸的_________次方成正比。8.恒星的_________是其單位表面面積在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的所有波長(zhǎng)輻射的總能量。9.行星的“有效溫度”是指假設(shè)其為一個(gè)理想的_________球體，且與星際空間處于輻射平衡狀態(tài)時(shí)的溫度。10.大氣對(duì)行星表面的溫度有雙向調(diào)節(jié)作用，即通過(guò)_________（填“吸收”和“散射”）太陽(yáng)輻射，以及通過(guò)發(fā)射紅外輻射與地表熱量交換。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述斯蒂芬-玻爾茲曼定律的內(nèi)容及其在行星溫度估算中的應(yīng)用。2.解釋什么是行星的“反照率”，并舉例說(shuō)明不同地表（如海洋、沙漠、冰蓋）的反照率差異及其對(duì)溫度的影響。3.描述行星自轉(zhuǎn)對(duì)其表面產(chǎn)生晝夜溫差的基本物理過(guò)程。4.簡(jiǎn)述溫室效應(yīng)的基本原理，并說(shuō)明它與行星表面溫度的關(guān)系。四、計(jì)算題（每小題10分，共20分）1.假設(shè)某行星與恒星的平均距離為1.5天文單位，該恒星的luminosity（光度）約為太陽(yáng)的1倍。已知太陽(yáng)的有效溫度為5800K。忽略行星大氣和反照率的影響，請(qǐng)利用斯特藩-玻爾茲曼定律估算該行星表面的有效溫度。（提示：1天文單位約等于1.496x10^11米，斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)σ≈5.67x10^-8Wm^-2K^-4）2.假設(shè)一顆類(lèi)地行星具有地球相同的大小和與恒星的距離，但其表面平均反照率為0.4（地球?yàn)?.3），且大氣完全透明，無(wú)溫室效應(yīng)。請(qǐng)與地球的有效溫度（約255K）進(jìn)行比較，分析該行星表面溫度的主要差異及其原因。五、論述題（15分）結(jié)合恒星輻射特性（如光譜、距離）和行星自身特征（如大小、大氣、表面性質(zhì)、軌道參數(shù)），論述為什么不同行星（如地球、金星、火星）表面溫度分布存在如此大的差異。在分析中，請(qǐng)重點(diǎn)提及反照率、溫室效應(yīng)、軸向傾角等因素的作用。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.B5.B6.C7.A8.C9.C10.C二、填空題1.可見(jiàn)光與紅外2.長(zhǎng)波3.有效4.吸收5.二氧化碳6.晝夜7.三8.光度9.黑體10.吸收；散射三、簡(jiǎn)答題1.斯蒂芬-玻爾茲曼定律指出，一個(gè)黑體的總輻射功率與其絕對(duì)溫度的四次方成正比（P∝T^4）。該定律描述了物體因自身溫度而發(fā)射電磁輻射的強(qiáng)度。在行星科學(xué)中，它用于估算行星在不考慮大氣和反照率等因素的理想情況下，僅由自身溫度向空間發(fā)射的總紅外輻射功率，是計(jì)算行星有效溫度的基礎(chǔ)。解析思路：理解題干要求，回答定律內(nèi)容（核心公式T^4關(guān)系）和物理意義。強(qiáng)調(diào)其在行星溫度估算（計(jì)算自身發(fā)射總功率）中的應(yīng)用場(chǎng)景。2.反照率（Albedo）定義為地表或大氣層反射的太陽(yáng)輻射能量與入射太陽(yáng)輻射能量的比值。它是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，范圍從0（完全吸收）到1（完全反射）。不同地表的反照率差異巨大：例如，雪和冰的反照率很高（可達(dá)0.8-0.9），而深色土壤或海洋的反照率較低（約0.1-0.3）。高反照率表面反射更多太陽(yáng)輻射，吸收較少，導(dǎo)致其溫度相對(duì)較低；低反照率表面吸收更多太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致其溫度相對(duì)較高。解析思路：定義反照率。給出計(jì)算公式（雖然題干未要求公式）。舉例說(shuō)明不同地表的反照率值差異。重點(diǎn)闡述反照率與吸收太陽(yáng)輻射量、最終溫度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。3.行星自轉(zhuǎn)導(dǎo)致其表面不同區(qū)域依次面向恒星（白天）和背向恒星（黑夜）。面向恒星一側(cè)直接接收太陽(yáng)輻射，能量輸入大于輸出，溫度升高；背向恒星一側(cè)則主要接收來(lái)自行星其他區(qū)域和大氣層的熱量，以及來(lái)自恒星的散射輻射，能量輸出大于輸入，溫度降低。因此，自轉(zhuǎn)產(chǎn)生了行星表面的晝夜溫差。解析思路：描述自轉(zhuǎn)導(dǎo)致日夜更替。分析白天（能量輸入>輸出，升溫）和黑夜（能量輸入<輸出，降溫）的能量平衡狀態(tài)。點(diǎn)明晝夜溫差產(chǎn)生的根本原因是能量收支的不對(duì)稱。4.溫室效應(yīng)是指行星大氣層吸收了地表發(fā)射的部分紅外輻射，并重新輻射回地表的過(guò)程。地表受太陽(yáng)輻射加熱后，會(huì)以紅外輻射的形式向大氣和空間散熱。某些大氣氣體（如CO2、水蒸氣、甲烷等被稱為溫室氣體）能夠強(qiáng)烈吸收這些紅外輻射，并將其向各個(gè)方向（包括向下向地表）重新輻射。這導(dǎo)致地表接收到的紅外輻射增多，如同被“保溫”，從而提高了地表（低層大氣）的溫度。解析思路：解釋溫室效應(yīng)的定義（核心過(guò)程：吸收紅外輻射并重新輻射回地表）。說(shuō)明參與過(guò)程的氣體（溫室氣體）。闡述其物理機(jī)制（紅外吸收與再輻射）。點(diǎn)明最終效果（提高地表溫度）。四、計(jì)算題1.設(shè)太陽(yáng)有效溫度為T(mén)_s=5800K，行星與恒星距離為d_p=1.5AU，太陽(yáng)光度為L(zhǎng)_s。行星與恒星距離為d_p'，則d_p'=d_p*1AU=1.5*1.496x10^11m。根據(jù)光度反比平方定律，行星接收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（S）與距離的平方成反比，即S_p/S_s=(d_s/d_p')^2。行星的有效溫度T_p與其接收的輻射強(qiáng)度S的四分之三次方根成正比，即T_p/T_s=(S_p/S_s)^(1/4)=[(d_s/d_p')^2]^(1/4)=d_s/d_p'^(1/2)。代入數(shù)值：T_p=T_s*(1AU/(1.5AU)^(1/2))=5800K*(1/√1.5)≈5800K*0.8165≈4752K。解析思路：利用斯特藩-玻爾茲曼定律與光度反比平方定律建立行星與太陽(yáng)有效溫度的關(guān)系。推導(dǎo)出T_p∝T_s*(d_s/d_p')^(1/2)。代入已知數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。注意單位（AU轉(zhuǎn)換為m在公式推導(dǎo)中會(huì)被約掉，此處保留計(jì)算過(guò)程更清晰，但非必需）。2.地球的有效溫度T_e≈255K。該行星的有效溫度T_p'可用類(lèi)似方法計(jì)算，但需考慮反照率A_p'=0.4。行星接收的凈能量與反照率成反比（或與(1-A)成正比）。因此，行星的有效溫度T_p'與地球有效溫度T_e的關(guān)系為T(mén)_p'/T_e=[(1-A_p')/(1-A_e)]^(1/4)=[(1-0.4)/(1-0.3)]^(1/4)=[0.6/0.7]^(1/4)≈[0.857]^(1/4)≈0.965。T_p'≈255K*0.965≈245K。對(duì)比：該行星的有效溫度（約245K）略低于地球（255K）。原因在于盡管該行星與恒星距離和大小相同，但其反照率更高（0.4vs0.3），吸收的太陽(yáng)輻射更少，導(dǎo)致其能量平衡所需的溫度更低。解析思路：建立有效溫度與反照率的關(guān)系（基于能量平衡）。推導(dǎo)出T_p'∝T_e*[(1-A_p')/(1-A_e)]^(1/4)。代入地球和該行星的反照率數(shù)值計(jì)算。比較計(jì)算結(jié)果，并解釋差異原因：更高的反照率意味著吸收的太陽(yáng)輻射更少，因此達(dá)到能量平衡所需的表面溫度更低。五、論述題不同行星表面溫度差異巨大，主要源于恒星輻射特性（輸入能量）和行星自身特性（能量調(diào)節(jié)能力）的綜合作用。首先，恒星輻射特性是基礎(chǔ)。恒星的光譜類(lèi)型決定了其輻射能量的峰值波長(zhǎng)和總光度。例如，F(xiàn)型恒星的溫度和光度介于G型（如太陽(yáng)）和G型與K型之間，其接收到的輻射可能更適合某些生命形式，但可能導(dǎo)致類(lèi)地行星過(guò)熱或過(guò)冷。恒星的光度直接影響行星接收到的總能量。距離恒星的遠(yuǎn)近則通過(guò)反比平方定律直接決定行星接收到的恒星輻射強(qiáng)度，距離越近，接收到的能量越多，表面溫度通常越高。例如，金星距離太陽(yáng)比地球近，接收的輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)超地球，其強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)使其表面溫度成為太陽(yáng)系之最。其次，行星自身特性對(duì)其溫度調(diào)節(jié)至關(guān)重要。*行星大小和質(zhì)量影響其與大氣層和內(nèi)部熱量的相互作用。體積和質(zhì)量大的行星（如氣態(tài)巨行星）能更好地保持大氣層，且內(nèi)部放射性元素衰變和核心殘留熱量等內(nèi)部熱源對(duì)其表面溫度有顯著貢獻(xiàn)（如木星）。而小行星或彗星則幾乎沒(méi)有大氣和內(nèi)部熱量，表面溫度完全由外部輻射決定。*反照率是行星表面反射太陽(yáng)輻射的能力。高反照率（如火星的極地冰蓋）會(huì)降低行星吸收的能量，導(dǎo)致溫度較低。低反照率（如金星和地球的陸地）則有利于吸收更多熱量，溫度較高。*大氣層是影響行星能量平衡的關(guān)鍵因素。大氣層的透明度（反照率和吸收）決定了到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射量。大氣中的溫室氣體（如CO2、水蒸氣）能吸收地表