2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——火星環(huán)境與氣候模擬考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述火星大氣與地球大氣的顯著差異，并分析這些差異對(duì)火星氣候產(chǎn)生的主要影響。二、火星表面的水主要以冰的形式存在。描述火星上水冰的主要分布區(qū)域，并解釋控制水冰季節(jié)性變化和空間分布的主要因素。三、解釋什么是火星全球性塵暴（GlobalDustStorm）。簡(jiǎn)述其形成機(jī)制，并說(shuō)明其對(duì)火星氣候系統(tǒng)和表面探測(cè)任務(wù)可能帶來(lái)的主要影響。四、火星氣候模擬是研究火星古氣候和未來(lái)氣候變化的重要手段。簡(jiǎn)述全球氣候模型（GCM）在模擬火星氣候時(shí)需要考慮的關(guān)鍵物理過(guò)程和參數(shù)化方案。指出火星氣候模擬面臨的主要挑戰(zhàn)。五、火星的軌道參數(shù)（如軸傾角、軌道偏心率、軌道傾角）與地球相比存在顯著差異，導(dǎo)致了火星更劇烈的季節(jié)變化。請(qǐng)解釋這些軌道參數(shù)如何影響火星的輻射平衡和季節(jié)性氣候特征。六、論述火星極地冰蓋（包括水冰和干冰）在火星氣候系統(tǒng)中的重要作用。包括其對(duì)火星表面溫度、大氣成分以及全球氣候變化的潛在反饋機(jī)制。七、人類(lèi)計(jì)劃在未來(lái)幾十年內(nèi)登陸和探索火星?；鹦堑妮椛洵h(huán)境（包括太陽(yáng)粒子事件和銀河宇宙射線）對(duì)人體健康和電子設(shè)備構(gòu)成威脅。簡(jiǎn)述火星輻射環(huán)境的特征，并提出一種或多種利用模擬方法評(píng)估輻射風(fēng)險(xiǎn)的研究思路。八、假設(shè)你是一名火星氣候模擬研究助理，研究者希望利用模擬方法探究過(guò)去百萬(wàn)年間火星軌道參數(shù)變化對(duì)其古氣候（特別是溫度和冰川狀態(tài)）的影響。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)要的研究方案，說(shuō)明你需要選擇或構(gòu)建什么樣的氣候模型、需要設(shè)置哪些關(guān)鍵的邊界條件、以及你將如何分析模擬結(jié)果來(lái)回答研究問(wèn)題。試卷答案一、火星大氣比地球稀薄得多（約地球大氣密度的1%），主要成分是二氧化碳（約95%），氮?dú)夂脱鯕夂繕O低。大氣壓力隨高度下降更快。火星缺乏顯著的溫室效應(yīng)（盡管CO2含量高，但大氣稀薄導(dǎo)致效應(yīng)有限），導(dǎo)致表面溫度極低且晝夜溫差大。稀薄的大氣也使得火星風(fēng)力強(qiáng)大，能將大量塵埃卷入平流層，影響輻射傳輸和表面溫度。大氣對(duì)太陽(yáng)紫外線的吸收能力較弱，使得火星表面紫外線輻射強(qiáng)烈。解析思路：本題考查對(duì)火星大氣基本特征及其氣候后果的理解。需先列舉火星大氣的核心特征（密度、成分、壓力），然后分析這些特征如何導(dǎo)致溫室效應(yīng)差異、溫度特征（低、溫差大）、風(fēng)以及輻射環(huán)境的不同，并闡述這些差異對(duì)整體氣候的影響。二、火星水冰主要分布在極地冰蓋（高緯度地區(qū)）、中緯度地區(qū)的地下（被土壤覆蓋）、以及赤道附近的一些永久陰影坑中?？刂扑竟?jié)性變化的主要因素是溫度（季節(jié)性?xún)鼋Y(jié)和解凍）和大氣中的水汽含量（水汽輸送和凝結(jié)）。高緯度地區(qū)的冰蓋受季節(jié)性溫度波動(dòng)影響，經(jīng)歷凍結(jié)和部分消融。中緯度地下冰受土壤覆蓋保護(hù)，相對(duì)穩(wěn)定，但地表溫度仍可影響其上部邊界。赤道永久陰影坑中的水冰因反射陽(yáng)光而保持低溫，不受季節(jié)性溫度變化直接影響，其存在依賴(lài)于極地水汽的長(zhǎng)期輸送和積累。解析思路：本題要求描述水冰分布和影響因素。需知道水冰的主要分布區(qū)（極地、地下、陰影坑）。影響因素方面，要區(qū)分季節(jié)性變化（溫度、水汽）和穩(wěn)定性分布（陰影坑、地下），并解釋各自的作用機(jī)制。三、火星全球性塵暴是由強(qiáng)烈的對(duì)流引發(fā)，始于地表，然后迅速擴(kuò)展到整個(gè)火星，卷起大量的細(xì)小塵埃顆粒進(jìn)入平流層，甚至遮蔽整個(gè)行星。形成機(jī)制涉及地表受熱不均（如赤道地區(qū)強(qiáng)烈日照）、低層大氣不穩(wěn)定、以及可能的地表濕度和土壤性質(zhì)觸發(fā)。塵暴對(duì)氣候的影響包括：顯著降低到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致區(qū)域性乃至全球性降溫；改變大氣環(huán)流模式；影響輻射傳輸過(guò)程。對(duì)探測(cè)任務(wù)的影響包括：降低太陽(yáng)電池效率、干擾光學(xué)觀測(cè)、產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)對(duì)設(shè)備造成損害、甚至威脅宇航員安全。解析思路：本題考查塵暴的形成、影響。需解釋其觸發(fā)機(jī)制（熱力對(duì)流）、發(fā)展過(guò)程（全球擴(kuò)展），分析其對(duì)氣候（輻射、環(huán)流）和探測(cè)任務(wù)的具體影響。四、火星GCM模擬需要考慮：輻射過(guò)程（短波和長(zhǎng)波輻射傳輸，包括溫室效應(yīng)和塵埃影響）、大氣動(dòng)力學(xué)（溫度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向的垂直和水平分布，包括行星波和對(duì)流）、水汽和云的物理過(guò)程（蒸發(fā)、凝結(jié)、降水、云微物理）、動(dòng)力學(xué)過(guò)程（湍流輸送）以及與地表的相互作用（熱量交換、水分交換、雪/冰的相變）。參數(shù)化方案則用于描述那些難以在模型中完全resolved的物理過(guò)程，如云凝結(jié)核的生成、輻射與云的相互作用等。主要挑戰(zhàn)包括：火星大氣成分復(fù)雜且稀薄對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊戨y精確模擬；地表性質(zhì)（特別是水冰和塵暴）的高度時(shí)空變率；模型分辨率與計(jì)算資源的矛盾；模擬結(jié)果的不確定性較大。解析思路：本題要求闡述GCM的關(guān)鍵要素。需列出模型涉及的物理過(guò)程（輻射、動(dòng)力學(xué)、水汽、地表作用）和必要的參數(shù)化方案。挑戰(zhàn)方面，要指出火星大氣和地表的特殊性帶來(lái)的模擬難點(diǎn)。五、火星的軌道參數(shù)，特別是偏心率（目前較大）和軸傾角（目前較小但變化范圍大），導(dǎo)致了其接收太陽(yáng)輻射的季節(jié)性變化比地球更顯著。偏心率變化改變了火星與太陽(yáng)的平均距離，使得近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)接收的太陽(yáng)輻射差異更大，從而加劇了季節(jié)性的能量輸入差異。軸傾角的變化則改變了太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度范圍和季節(jié)性位移，顯著影響了高緯度地區(qū)的季節(jié)性能量收支，可能導(dǎo)致極端的冰期和間冰期循環(huán)。這些參數(shù)共同作用，使得火星的季節(jié)性溫度波動(dòng)、降水模式以及潛在的冰蓋變化比地球更為劇烈。解析思路：本題考查軌道參數(shù)對(duì)火星氣候的影響機(jī)制。需解釋偏心率（距離變化）和軸傾角（直射點(diǎn)緯度變化）如何分別影響季節(jié)性能量收支，特別是對(duì)高緯度地區(qū)的影響，并指出其對(duì)氣候劇烈性的貢獻(xiàn)。六、火星極地冰蓋是火星水循環(huán)的終點(diǎn)和起點(diǎn)，儲(chǔ)存了火星大部分的水資源。其作用體現(xiàn)在：1）熱量調(diào)節(jié)：冰蓋覆蓋可以反射大部分太陽(yáng)輻射（高反照率），導(dǎo)致高緯度地區(qū)冬季冷卻更快更強(qiáng)；冰蓋融化則吸收大量熱量。2）大氣成分調(diào)節(jié)：極地干冰（CO2冰）的升華和沉積直接影響大氣中CO2的濃度和垂直分布，進(jìn)而影響全球溫度和溫室效應(yīng)。3）氣候反饋：冰蓋的變化（增長(zhǎng)或消融）會(huì)通過(guò)反照率效應(yīng)和CO2循環(huán)反饋，進(jìn)一步放大氣候變化。模擬研究這些反饋機(jī)制對(duì)于理解火星氣候演變至關(guān)重要。解析思路：本題要求論述極地冰蓋的多重作用。需從熱量調(diào)節(jié)（反照率）、大氣成分調(diào)節(jié)（CO2循環(huán)）和氣候反饋機(jī)制三個(gè)方面進(jìn)行闡述，并強(qiáng)調(diào)其在火星水循環(huán)和氣候系統(tǒng)中的核心地位。七、火星輻射環(huán)境的主要特征是：背景輻射水平高于地球（因大氣稀薄，吸收紫外輻射少），且受到太陽(yáng)活動(dòng)（太陽(yáng)粒子事件，SPEs）和銀河宇宙射線（GCRs）的顯著增強(qiáng)。SPEs在太陽(yáng)耀斑和CME期間爆發(fā)，能瞬時(shí)大幅提高輻射水平，對(duì)生命有機(jī)物和電子器件造成急性損傷。GCRs則是一種持續(xù)存在的背景輻射，強(qiáng)度隨太陽(yáng)活動(dòng)周期變化。評(píng)估輻射風(fēng)險(xiǎn)的研究思路可以包括：利用GCM模擬太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)和粒子事件的發(fā)生頻率與強(qiáng)度；結(jié)合火星軌道和姿態(tài)模型，計(jì)算特定地點(diǎn)和時(shí)間的累積輻射劑量；建立輻射生物效應(yīng)和器件損傷的模型，評(píng)估對(duì)人類(lèi)健康（如基因損傷、癌癥風(fēng)險(xiǎn)）和設(shè)備壽命（如單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)）的影響。解析思路：本題要求描述輻射環(huán)境特征并提出研究思路。需先識(shí)別主要輻射來(lái)源（背景、SPEs、GCRs）及其特點(diǎn)。研究思路方面，要體現(xiàn)出從模擬輻射來(lái)源到計(jì)算劑量，再到評(píng)估生物和設(shè)備影響的完整鏈條。八、研究方案設(shè)計(jì)：1）模型選擇：選擇一個(gè)能夠模擬百萬(wàn)年時(shí)間尺度、包含行星軌道參數(shù)變化（米蘭科維奇旋回）、具備相對(duì)完善的輻射強(qiáng)迫和氣候反饋機(jī)制（特別是水冰和CO2循環(huán)）的火星GCM。例如，可以選擇現(xiàn)有的火星GCM（如MARSOP,MIMICK等）或?qū)ζ溥M(jìn)行參數(shù)化改進(jìn)。2）邊界條件：將GCM的邊界條件設(shè)置為過(guò)去百萬(wàn)年的平均太陽(yáng)常數(shù)，但引入隨時(shí)間變化的軌道參數(shù)（偏心率、軸傾角、升交點(diǎn)黃經(jīng)）作為外部強(qiáng)迫。設(shè)定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的初始大氣狀態(tài)，或基于已有古氣候證據(jù)設(shè)定初始條件。3）模擬與分析：進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分（例如，1個(gè)百萬(wàn)年周期），記錄模擬的年平均氣溫、水汽分布、極地冰蓋體積/面積、大氣CO2濃度等關(guān)鍵氣候變量隨軌道參數(shù)變化的時(shí)間序列。分析不同軌道參數(shù)組合（如最大偏心率、最大軸傾角時(shí)期）對(duì)火星溫度、冰川狀態(tài)的影響程度和空間格局。通過(guò)與已有的古氣候證據(jù)