2025年大學《空間科學與技術(shù)》專業(yè)題庫——太陽風對彗星的影響機制考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述太陽風的基本特征，并說明其與普通地球大氣的主要區(qū)別。二、彗核在什么條件下開始活動？揮發(fā)的物質(zhì)主要有哪些種類？這些物質(zhì)如何形成彗發(fā)的不同部分？三、解釋太陽風動壓和靜壓的概念，并說明在彗星背風面，這兩種壓力是如何平衡的？四、太陽風粒子（主要是離子和電子）與彗星中性氣體原子或分子發(fā)生相互作用時，會形成哪些主要的物理過程？請分別簡要說明。五、彗星的彗尾通常指向遠離太陽的方向，并常常呈現(xiàn)彗核運動方向的拖曳特征。請解釋造成這一現(xiàn)象的物理原因。六、彗星塵埃粒子如何被太陽風加速并形成彗尾？影響塵埃粒子加速和擴散的主要因素有哪些？七、太陽風磁場對彗星周圍的等離子體環(huán)境和彗星活動有何影響？請舉例說明。八、結(jié)合一個具體的彗星探測任務（如旅行者號、羅塞塔號等），簡述該任務如何幫助我們理解太陽風與彗星相互作用的機制。九、設想如果太陽風速度突然大幅增加（例如，在日冕物質(zhì)拋射期間），你認為彗星彗發(fā)和彗尾的形態(tài)會發(fā)生哪些顯著變化？請解釋原因。十、從能量轉(zhuǎn)換的角度，簡要分析太陽風如何將能量傳遞給彗星，并導致彗星活動（如彗發(fā)膨脹、彗尾形成）。試卷答案一、太陽風是由太陽日冕持續(xù)向外高速流出的等離子體流，主要由質(zhì)子和電子組成，溫度高（約數(shù)萬開爾文），密度低（約每立方厘米幾到幾十個粒子），速度快（約300-800公里/秒），并帶有太陽磁場。與地球大氣相比，太陽風沒有明確的邊界層（如大氣層頂），成分主要是離子和電子，溫度遠高于地球大氣，密度極低，且來源于太陽，速度極快。二、彗核在接近太陽、接收到的太陽輻射溫度足以使其表面物質(zhì)（主要是水冰、二氧化碳、氨、甲烷等揮發(fā)性冰物質(zhì)）升華或解離的條件下開始活動。揮發(fā)的物質(zhì)包括水蒸氣、二氧化碳、氮氣、氨、甲烷等分子，以及解離產(chǎn)生的氫、氧、碳、氮、氯等原子。這些物質(zhì)向外擴散，形成了彗發(fā)的不同部分：中心最致密的部分稱為彗核，周圍由水蒸氣和塵埃組成的云霧狀區(qū)域稱為彗發(fā)（包括彗冠和彗瓣），彗發(fā)延伸到遠處形成的稀薄等離子體流稱為彗尾。三、太陽風動壓是指太陽風粒子流動時具有的動量變化率，其大小與太陽風密度和速度的平方成正比（P_d=ρv2）。太陽風靜壓是太陽風中的離子和電子自身的靜電壓力，主要由太陽風中的離子決定（P_s≈nq2/r2，n為密度，q為離子電荷，r為距離）。在彗星背風面，遠離彗核的區(qū)域，太陽風動壓大致與靜壓相等并形成平衡，使得彗核背風面受到的凈壓力指向彗核。四、主要物理過程包括：1.電荷交換：太陽風離子（通常為質(zhì)子）與彗星中性氣體（如H?O、CO?分子或其解離產(chǎn)物）碰撞時，離子可以捕獲中性粒子上的電子成為中性離子，反之亦然。這導致太陽風離子被部分電離或中性化，同時彗星物質(zhì)也被電離。2.離子拾起：被彗星物質(zhì)電離的離子（彗星離子）會失去電子成為正離子，這些正離子會被太陽風的動壓和電場加速，流向背風面，并可能被太陽風磁場捕獲并向后方散射，形成背風面離子羽流或離子鞘層。3.電子激發(fā)與電離：太陽風高能電子可以激發(fā)彗星中性原子或分子，使其處于激發(fā)態(tài)，隨后可能躍遷回基態(tài)并發(fā)射光子，形成彗發(fā)中的電離發(fā)光現(xiàn)象。高能電子也可能直接電離彗星物質(zhì)。五、太陽風動壓在彗星背風面施加一個強大的壓力，將彗星周圍的等離子體（包括彗星自身電離出的離子和太陽風離子）推向后方。由于彗星整體是相對靜止或緩慢移動的，等離子體被推向后方時，彗星本身則被“拖曳”著，導致彗尾大致指向遠離太陽的方向。同時，彗核的運動也會影響彗尾的形態(tài)，使得彗尾常常呈現(xiàn)彗核運動軌跡的拖曳特征。六、太陽風離子（主要是質(zhì)子）通過電荷交換過程與彗星塵埃粒子碰撞，將能量傳遞給塵埃粒子，使其獲得足夠的能量克服太陽引力和太陽風的阻力，從而開始被太陽風加速。隨著粒子遠離彗核，太陽風動壓逐漸減弱，塵埃粒子的速度會逐漸趨于一個穩(wěn)定值（終端速度），并主要受太陽引力、太陽風動壓和阻力（與速度平方成正比）的平衡控制。影響塵埃粒子加速和擴散的主要因素包括太陽風速度和密度、塵埃粒子的質(zhì)量（大小和密度）、日彗距離。七、太陽風磁場（日冕磁場）進入彗星附近時會受到彗星產(chǎn)生的等離子體鞘層的阻擋而發(fā)生畸變和拉伸，在背風面形成一個與太陽風方向相反的磁場區(qū)域（磁異常區(qū)）。這個磁場對彗星周圍的等離子體粒子起到約束和引導作用，例如，它可以將太陽風離子聚焦到背風面，并影響彗星電離區(qū)的邊界和形態(tài)。太陽風磁場還可以與彗星磁場（如果存在）相互作用，影響彗星等離子體環(huán)境的電場分布和粒子運動。八、以羅塞塔號任務為例，該任務通過其攜帶的多種探測器（如ROSINA質(zhì)譜儀、APOLLO離子和電子探測器、SWA太陽風analyser等），在近距離（數(shù)公里到數(shù)百公里）對彗星“丘留瑪斯”進行了長期探測。通過ROSINA精確測量彗星氣體和塵埃的成分、密度和速度，揭示了彗核揮發(fā)的物質(zhì)來源和過程；通過APOLLO和SWA測量太陽風參數(shù)與彗星周圍等離子體和磁場的相互作用，分析了太陽風如何驅(qū)動彗星活動、如何加速彗星離子和塵埃，從而極大地深化了我們對太陽風-彗星相互作用機制的理解。九、如果太陽風速度突然大幅增加（如CME期間），預計會發(fā)生以下變化：1）彗尾會顯著加速、變窄、并可能變得更加彎曲，因為更大的動壓更有效地將物質(zhì)推向后方；2）彗發(fā)（特別是彗冠）可能會被更強沖擊波壓縮或激發(fā)，活動可能更加劇烈；3）背風面的離子羽流可能更強或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；4）彗星物質(zhì)被加速到更高能量，可能影響彗星遠端的等離子體環(huán)境和觀測。十、太陽風將能量通過兩種主要方式傳遞給彗星：1）動能傳遞：高速流動的太陽風粒子具有巨大的動能。當它們與彗星表面的中性粒子發(fā)生電荷交換或直接碰撞時，部分動能會傳遞給彗星中性粒子，使其獲得足夠能量而升華或解離，表現(xiàn)為彗星活動。太陽風動壓對彗核背風面的持續(xù)推力也是一種宏觀的動