2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——太空環(huán)境監(jiān)測(cè)與星際生態(tài)系統(tǒng)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題4分，共20分）1.太空輻射環(huán)境2.空間天氣3.星際介質(zhì)4.類地行星宜居帶5.尋地外智能（SETI）二、簡(jiǎn)答題（每小題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述高能宇宙射線（GCR）對(duì)航天器的主要威脅及其主要來(lái)源。2.比較被動(dòng)式和主動(dòng)式空間環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。3.列舉并簡(jiǎn)述影響近地軌道空間碎片環(huán)境的主要因素。4.說(shuō)明星際介質(zhì)的主要化學(xué)成分及其對(duì)星際分子形成和行星演化的意義。5.描述評(píng)估一個(gè)系外行星是否具有潛在宜居性的主要物理和化學(xué)指標(biāo)。三、論述題（每小題15分，共45分）1.論述空間環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)保障近地軌道航天器安全和執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)的重要性，并舉例說(shuō)明。2.分析微流星體撞擊對(duì)航天器材料和結(jié)構(gòu)的潛在破壞機(jī)制，并提出相應(yīng)的防護(hù)或規(guī)避策略。3.探討當(dāng)前尋找地外生命的主要科學(xué)假說(shuō)和研究途徑（如SETI、生物標(biāo)記物搜索），并評(píng)價(jià)其面臨的主要挑戰(zhàn)和前景。試卷答案一、名詞解釋1.太空輻射環(huán)境：指地球大氣層外太空存在的各種高能粒子（如質(zhì)子、電子、重離子）和中性粒子組成的輻射場(chǎng)。主要包括高能宇宙射線（GCR）、太陽(yáng)粒子事件（SPE）、太陽(yáng)風(fēng)粒子（SPP）、極區(qū)電離層粒子（AEP）等，對(duì)航天器和空間活動(dòng)構(gòu)成威脅。**解析思路：*定義要涵蓋空間、組成成分（粒子種類）、主要類型，并點(diǎn)明其核心影響（對(duì)航天器的威脅）。2.空間天氣：指太陽(yáng)活動(dòng)引起的一系列擾動(dòng)，這些擾動(dòng)通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)傳播到達(dá)地球，影響地球大氣層、電離層、磁場(chǎng)以及近地空間環(huán)境，可能對(duì)航天器、通信、導(dǎo)航、電力系統(tǒng)等產(chǎn)生危害或影響。**解析思路：*定義要明確觸發(fā)因素（太陽(yáng)活動(dòng)）、傳播途徑（太陽(yáng)風(fēng)）、影響范圍（地球大氣層、空間環(huán)境）、潛在后果（對(duì)地面和空間系統(tǒng)的影響）。3.星際介質(zhì)：指位于恒星和行星系統(tǒng)之間宇宙空間中的氣體（主要是氫和氦，還有少量重元素）和塵埃（微米到厘米尺寸的固體顆粒）的總稱。它是構(gòu)成恒星和行星的原材料，并在星系演化中扮演重要角色。**解析思路：*定義要包含組成成分（氣體、塵埃）、空間位置（恒星和行星系統(tǒng)之間）、物質(zhì)形態(tài)（氣體、塵埃顆粒），并指出其重要意義（原材料、演化角色）。4.類地行星宜居帶：指一個(gè)恒星周圍的一個(gè)區(qū)域范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，行星表面的液態(tài)水可能長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。液態(tài)水的存在被認(rèn)為是生命（特別是碳基生命）存在的關(guān)鍵條件之一。**解析思路：*定義要抓住核心概念（恒星周圍區(qū)域）、關(guān)鍵條件（液態(tài)水穩(wěn)定存在）、原因（生命存在的關(guān)鍵條件之一），并點(diǎn)明其別稱（HabitableZone）。5.尋地外智能（SETI）：SearchforExtraterrestrialIntelligence的縮寫，指主動(dòng)或被動(dòng)地尋找地外文明（特別是智慧文明）的科學(xué)活動(dòng)。主要方法包括監(jiān)聽來(lái)自宇宙的潛在人工無(wú)線電或光學(xué)信號(hào)。**解析思路：*給出英文全稱及縮寫，明確目標(biāo)（地外文明/智慧文明），并列舉主要方法（監(jiān)聽無(wú)線電/光學(xué)信號(hào)）。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述高能宇宙射線（GCR）對(duì)航天器的主要威脅及其主要來(lái)源。*威脅：GCR具有極高的能量和穿透能力，能夠直接或間接（產(chǎn)生次級(jí)粒子）損傷航天器電子器件，導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤、功能失效甚至永久性損壞；對(duì)航天員輻射劑量造成累積，威脅生命安全；可能引起材料老化或降解。*來(lái)源：主要來(lái)源于太陽(yáng)活動(dòng)（如日冕物質(zhì)拋射中的高能粒子），以及來(lái)自太陽(yáng)系外、甚至更遙遠(yuǎn)宇宙深處（如超新星爆發(fā)、活動(dòng)星系核等）的極高能粒子。**解析思路：*先回答威脅，從器件損傷、劑量累積、材料老化三個(gè)方面說(shuō)明對(duì)航天器和人的影響。再回答來(lái)源，區(qū)分太陽(yáng)來(lái)源和銀河系外來(lái)源，說(shuō)明其高能特性。2.比較被動(dòng)式和主動(dòng)式空間環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。*被動(dòng)式監(jiān)測(cè)：原理是接收自然存在的空間環(huán)境信號(hào)（如來(lái)自太陽(yáng)或宇宙的輻射、粒子轟擊探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)等）。優(yōu)點(diǎn)是能源需求低、可長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)、對(duì)特定信號(hào)敏感。缺點(diǎn)是探測(cè)范圍有限、無(wú)法主動(dòng)選擇探測(cè)對(duì)象、易受干擾。*主動(dòng)式監(jiān)測(cè)：原理是主動(dòng)向空間發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后接收從空間物體或環(huán)境介質(zhì)反射或相互作用后返回的信號(hào)（如雷達(dá)探測(cè)碎片、激光雷達(dá)探測(cè)大氣參數(shù)）。優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣、可主動(dòng)選擇探測(cè)目標(biāo)和參數(shù)、測(cè)量方式靈活。缺點(diǎn)是能源消耗大、可能對(duì)其他航天器或環(huán)境產(chǎn)生干擾、受天氣或空間介質(zhì)影響。**解析思路：*分別闡述兩種方法的定義（原理）、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。突出其核心區(qū)別在于是否“主動(dòng)發(fā)射信號(hào)”。對(duì)比分析各自的利弊。3.列舉并簡(jiǎn)述影響近地軌道空間碎片環(huán)境的主要因素。*人為因素：空間交通密度（發(fā)射次數(shù)多導(dǎo)致碎片增多）、碰撞事故（如兩物體碰撞產(chǎn)生大量次級(jí)碎片）、反衛(wèi)星武器試驗(yàn)（故意制造大量碎片）。*自然因素：微流星體撞擊（將現(xiàn)有物體撞擊成碎片）、空間環(huán)境誘導(dǎo)（如原子氧刻蝕材料剝落）。*環(huán)境因素：大氣阻力（對(duì)低軌道碎片有減速拖曳效應(yīng)，導(dǎo)致軌道衰減，最終再入大氣層燒毀，但這個(gè)過(guò)程本身也可能因摩擦產(chǎn)生少量次級(jí)碎片或改變軌道）。**解析思路：*從人為、自然、環(huán)境三個(gè)維度列舉影響因素。對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，解釋其對(duì)碎片數(shù)量、分布或動(dòng)態(tài)變化的影響。4.說(shuō)明星際介質(zhì)的主要化學(xué)成分及其對(duì)星際分子形成和行星演化的意義。*主要化學(xué)成分：氣體以原子氫（約90%）和原子氦（約10%）為主，包含少量重元素原子（如碳、氮、氧、硅等）；塵埃由冰粒、碳粒、硅酸鹽等微米到厘米尺寸的顆粒組成。*意義：星際介質(zhì)是形成恒星的原始云氣和構(gòu)成行星（包括類地行星和氣態(tài)巨行星）的物質(zhì)來(lái)源。其中的氣體分子（如水、氨、甲烷、碳化物等）在低溫、富碳環(huán)境中通過(guò)化學(xué)鏈反應(yīng)或分子束等過(guò)程形成，是生命所需有機(jī)分子可能的先驅(qū)體。塵埃顆粒為分子形成提供了表面場(chǎng)所，并參與形成行星胚胎。**解析思路：*先列出氣體和塵埃兩大類成分及具體內(nèi)容。再闡述其在恒星形成和行星形成過(guò)程中的雙重角色：既是物質(zhì)原料，也是生命前體分子的合成場(chǎng)所。5.描述評(píng)估一個(gè)系外行星是否具有潛在宜居性的主要物理和化學(xué)指標(biāo)。*物理指標(biāo)：恒星類型與穩(wěn)定性、行星大?。ㄅc母星比較）、軌道周期（確定公轉(zhuǎn)周期和潛在表面溫度）、軌道形狀（圓形軌道通常更穩(wěn)定）、與恒星的距離（是否位于宜居帶內(nèi)，允許液態(tài)水存在）。*化學(xué)指標(biāo)：大氣成分分析（是否存在水蒸氣、二氧化碳、甲烷等溫室氣體，以及氧氣等生物標(biāo)記物跡象）、表面溫度范圍、液態(tài)水存在的可能性（結(jié)合大氣和軌道參數(shù)判斷）。**解析思路：*區(qū)分物理和化學(xué)兩大類指標(biāo)。物理指標(biāo)側(cè)重行星本身及其與恒星的幾何關(guān)系（距離、軌道）?；瘜W(xué)指標(biāo)側(cè)重大氣成分分析和表面條件（溫度、水），特別是與生命相關(guān)的指標(biāo)。三、論述題1.論述空間環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)保障近地軌道航天器安全和執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)的重要性，并舉例說(shuō)明。*重要性：空間環(huán)境監(jiān)測(cè)是保障航天活動(dòng)安全的基礎(chǔ)。對(duì)于近地軌道航天器，監(jiān)測(cè)可以提供關(guān)鍵的輻射通量、空間碎片分布、電離層擾動(dòng)等信息，使運(yùn)營(yíng)商能夠：1)評(píng)估任務(wù)期間和長(zhǎng)期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)；2)及時(shí)調(diào)整軌道以規(guī)避高威脅區(qū)域或大型碎片；3)保護(hù)航天器和宇航員免受過(guò)量輻射；4)預(yù)測(cè)和補(bǔ)償電離層延遲對(duì)導(dǎo)航和通信的影響。對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)（如火星探測(cè)），環(huán)境監(jiān)測(cè)有助于：1)預(yù)測(cè)抵達(dá)目標(biāo)天體時(shí)的輻射環(huán)境，評(píng)估對(duì)探測(cè)器電子設(shè)備和生物載荷（如宇航員）的威脅；2)了解目標(biāo)天體的大氣、表面環(huán)境（如溫度、塵暴、輻射），為著陸、表面活動(dòng)和科學(xué)探測(cè)提供依據(jù)。*舉例說(shuō)明：例如，通過(guò)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)（如日冕物質(zhì)拋射）和地磁活動(dòng)，NASA和ESA等機(jī)構(gòu)能夠發(fā)布空間天氣預(yù)警，指導(dǎo)近地軌道衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商執(zhí)行“離線”操作，將衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整到對(duì)輻射損傷最不敏感的狀態(tài)，或?qū)⒚舾休d荷隱藏起來(lái)。在“好奇號(hào)”和“毅力號(hào)”火星車任務(wù)規(guī)劃中，需要根據(jù)火星表面的輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（來(lái)自火星奧德賽號(hào)等探測(cè)器）來(lái)評(píng)估長(zhǎng)期暴露風(fēng)險(xiǎn)，并據(jù)此設(shè)計(jì)輻射防護(hù)策略?？臻g碎片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如美國(guó)太空司令部、歐洲空間局）提供的實(shí)時(shí)碎片目錄是近地軌道衛(wèi)星規(guī)避碰撞的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)源。**解析思路：*首先拔高，點(diǎn)明監(jiān)測(cè)的普遍重要性。然后分近地軌道和深空探測(cè)兩個(gè)場(chǎng)景，分別闡述監(jiān)測(cè)的具體作用（風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、規(guī)避、防護(hù)、任務(wù)規(guī)劃依據(jù)等）。最后結(jié)合具體任務(wù)（如預(yù)警、火星探測(cè)、碎片規(guī)避）進(jìn)行舉例說(shuō)明，使論述更具說(shuō)服力。2.分析微流星體撞擊對(duì)航天器材料和結(jié)構(gòu)的潛在破壞機(jī)制，并提出相應(yīng)的防護(hù)或規(guī)避策略。*潛在破壞機(jī)制：1)直接穿透：微流星體以極高速度撞擊材料，其動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為熱能和沖擊波，導(dǎo)致材料局部熔化、汽化、形成微小孔洞（微隕石坑）。高能重離子撞擊可能產(chǎn)生“注入效應(yīng)”，將空間環(huán)境中的元素?fù)饺氩牧蟽?nèi)部。2)結(jié)構(gòu)損傷：?jiǎn)未位蚨啻挝⒘餍求w撞擊會(huì)在材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部累積微小缺陷（如微裂紋、空位），降低材料強(qiáng)度和韌性，長(zhǎng)期累積可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、斷裂或功能失效。3)表面改性：撞擊導(dǎo)致材料表面物理化學(xué)性質(zhì)改變，如產(chǎn)生濺射層、改變表面粗糙度或成分。*防護(hù)策略：1)被動(dòng)防護(hù)（吸能/偏轉(zhuǎn)）：在航天器表面覆蓋防護(hù)層材料，如凱夫拉、鈦合金網(wǎng)、多層復(fù)合防護(hù)材料等，利用材料變形、碎裂或產(chǎn)生沖擊波來(lái)吸收或偏轉(zhuǎn)微流星體能量。使用多層防護(hù)（MLI）能有效衰減高能粒子。2)主動(dòng)防護(hù)（偏轉(zhuǎn)）：利用小型電磁或激光推力器發(fā)射定向能量，在小范圍內(nèi)改變微流星體的軌道，使其偏離航天器路徑。3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化：采用冗余設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)，增加結(jié)構(gòu)對(duì)局部損傷的承受能力。*規(guī)避策略：1)空間態(tài)勢(shì)感知（SSA）：建立高精度的空間碎片和微流星體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)追蹤近地軌道上大量潛在撞擊目標(biāo)（主要是較大尺寸的碎片，微流星體監(jiān)測(cè)難度大）。2)軌道機(jī)動(dòng)：對(duì)于威脅較大的已知大型目標(biāo)，提前進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，調(diào)整航天器軌道以避開潛在碰撞點(diǎn)。這需要消耗燃料，且頻繁機(jī)動(dòng)可能影響任務(wù)壽命。**解析思路：*先詳細(xì)分析破壞機(jī)制，從能量轉(zhuǎn)換（熔化、汽化）、結(jié)構(gòu)累積損傷（裂紋）、表面改性三個(gè)方面闡述。然后分別提出兩大類應(yīng)對(duì)措施：防護(hù)（直接吸收/偏轉(zhuǎn)）和規(guī)避（監(jiān)測(cè)/機(jī)動(dòng)）。對(duì)每種策略進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，并指出其適用范圍或局限性。3.探討當(dāng)前尋找地外生命的主要科學(xué)假說(shuō)和研究途徑（如SETI、生物標(biāo)記物搜索），并評(píng)價(jià)其面臨的主要挑戰(zhàn)和前景。*主要科學(xué)假說(shuō)：1)生命普遍論：認(rèn)為生命是宇宙中普遍存在的現(xiàn)象，只要存在合適的條件（如液態(tài)水、適宜溫度、化學(xué)元素等），就可能自發(fā)產(chǎn)生。因此，在宇宙中廣泛分布著各種形式的生命，包括地外簡(jiǎn)單生命（微生物）和可能更復(fù)雜的智慧生命。2)生命稀有論：認(rèn)為生命起源的條件極為苛刻和罕見(jiàn)，地球可能是宇宙中唯一誕生生命的星球，或者生命形式極其特殊，難以被我們現(xiàn)有認(rèn)知所探測(cè)。*研究途徑：1)尋地外智能（SETI）：主要通過(guò)監(jiān)聽來(lái)自宇宙的潛在非自然起源的無(wú)線電或光學(xué)信號(hào)，尋找外星文明的通信跡象。分為被動(dòng)監(jiān)聽（如阿雷西博望遠(yuǎn)鏡、平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡）和主動(dòng)搜尋（如“旅行者”號(hào)播放的地球音樂(lè)信號(hào)）。2)生物標(biāo)記物搜索（特別是針對(duì)系外行星）：尋找地外環(huán)境中（如系外行星大氣、衛(wèi)星表面、星際分子云）可能由生命活動(dòng)產(chǎn)生的獨(dú)特化學(xué)信號(hào)（生物標(biāo)記物），如特定的氣體組合（如氧氣+甲烷在非生物過(guò)程主導(dǎo)的行星大氣中非常罕見(jiàn)）。主要依靠望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)光譜。*面臨的主要挑戰(zhàn)：1)樣本獲取困難：對(duì)于地外簡(jiǎn)單生命，可能需要派遣探測(cè)器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣分析；對(duì)于復(fù)雜生命或智慧生命，直接探測(cè)幾乎不可能。2)信號(hào)識(shí)別困難：SETI難以區(qū)分自然信號(hào)和人工信號(hào)，自然信號(hào)可能被宇宙噪聲淹沒(méi)；生物標(biāo)記物需要排除強(qiáng)烈的非生物成因（如地質(zhì)活動(dòng)），且信號(hào)可能被大氣層吸收或散射。3)生命形式的未知性：我們尋找的生命可能基于完全不同的生化基礎(chǔ)，難以識(shí)別。4)宇宙尺度的距離和時(shí)間：即使存在智能生命，信號(hào)傳播或探測(cè)器抵達(dá)也需要極長(zhǎng)時(shí)間，且可能早已消亡。*前景：盡管挑戰(zhàn)巨大，但尋找地外生命是人類探索宇宙的核心驅(qū)動(dòng)力之一。技術(shù)進(jìn)步（如更大更靈敏的望遠(yuǎn)鏡、更先進(jìn)的信號(hào)處理算法、高精度光譜分析技術(shù)）不斷拓展我們的探