2025年大学《行星科学》专业题库- 行星极地覆冰分布的研究

2025年大学《行星科学》专业题库——行星极地覆冰分布的研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题4分，共20分）1.行星极地冰盖2.干冰冰帽3.米兰科维奇旋回4.雷达测冰5.冰下海洋二、简答题（每题6分，共30分）1.简述影响火星极地覆冰季节性变化的主要因素。2.比较木星和土星极地冰盖（主要成分和分布特征）的主要异同。3.阐述行星的轨道参数（轴倾角、偏心率、公转周期）如何影响其极地气候和覆冰分布。4.简述雷达遥感技术在探测不同类型行星极地冰（水冰、干冰）中的应用原理和区别。5.解释为何科学家认为木卫二（Europa）的极地（实际上是整个卫星表面）覆冰之下可能存在液态水海洋，并说明主要的证据来源。三、论述题（每题10分，共40分）1.综述行星极地覆冰的形成条件，并分析其在行星早期演化和当前气候调节中所扮演的关键角色。2.详细讨论地球和火星极地覆冰分布与演化的异同，并分析这些差异反映了两者在地质历史、大气演变和轨道参数等方面的不同。3.以某一特定行星或卫星（如火星、木卫二、土卫二、海卫一）为例，阐述人类如何利用多种空间探测技术（如轨道遥感、着陆器观测、探测器飞越）来研究其极地覆冰的组成、结构、动态变化及其科学意义。4.探讨研究行星极地覆冰对于理解行星宜居性判据的意义，并分析当前面临的主要科学挑战和未来的研究方向。试卷答案一、名词解释1.行星极地冰盖：指在行星（或其卫星）两极地区形成的、覆盖范围广阔的固态水（或冰）体，通常由降雪积累、压实形成，可以是静止的冰盖或具有大规模冰川流动的冰盖。2.干冰冰帽：主要由固态二氧化碳（干冰）构成的极地覆盖层，常见于温度更低、更干燥的行星或卫星，如火星的南极。3.米兰科维奇旋回：指由地球（或其他行星）轨道参数（轴倾角、偏心率、公转周期）的长期、周期性变化驱动的气候周期性波动，这些周期性变化会影响到达行星表面的太阳辐射，进而影响极地冰量的增减。4.雷达测冰：利用雷达波（特别是微波）的穿透能力和对冰体的敏感性来探测行星表面或冰体内部结构、厚度和性质的一种遥感技术。不同类型的冰（水冰、干冰）对雷达波的反射和吸收特性不同。5.冰下海洋：指被行星的冰壳（如极地冰盖、卫星冰壳）覆盖，存在于冰壳之下的液态水（或其他液体）水体。其存在通常需要维持较高的温度（可能由内部热流、放射性元素衰变或轨道共振加热提供）和足够的外部压力。二、简答题1.影响火星极地覆冰季节性变化的主要因素：*轨道参数变化（米兰科维奇旋回）：火星轴倾角的季节性变化导致南、北极接收到的太阳辐射量有显著差异，驱动了极冠的季节性消长。*太阳活动：太阳风和太阳辐射对火星稀薄大气的持续吹扫作用，将极地表面的水冰吹走，形成夏季的“极冠退缩”；冬季大气冷却收缩，水汽再次沉降，极冠恢复。*大气环流和水汽输送：火星全球尺度的尘埃风暴和大气环流模式影响水汽从低纬地区向极地的输送效率。*极地表面温度：冬季极地表面的温度变化直接影响冰的升华和凝华速率。*冰下水库释放：存在理论上的可能性，即极地冰下可能存在的液态水水库在特定条件下（如构造活动、温升）会释放水汽，影响表层覆冰变化。2.比较木星和土星极地冰盖（主要成分和分布特征）的主要异同：*主要成分：木星和土星的极地（主要指大红斑区域附近或整体云顶结构）覆冰成分主要是水冰，但也可能含有氨冰等其他挥发分冰。这与地球极地冰盖以水冰为主不同。它们极地的“冰”更多是指云层成分。*分布特征：土星北极拥有一个显著且持续存在的六边形极地涡旋结构，是其最独特的特征。木星北极则有类似的大气涡旋结构，如大红斑。两者极地云顶的动态和结构受强磁场、快速自转和复杂大气动力学驱动，呈现出与地球极地冰盖不同的、更活跃的景象。两者极地区域通常表现出与低纬度不同的温度和化学组成特征。3.阐述行星的轨道参数（轴倾角、偏心率、公转周期）如何影响其极地气候和覆冰分布：*轴倾角（地轴倾角）：决定了行星表面季节性的极端性。较大的轴倾角会导致极地地区在夏季接收更多太阳辐射（极昼），在冬季接收更少（极夜），从而加剧季节性温差，可能促进冰量的季节性变化乃至长期演化的消长。*偏心率（轨道椭圆度）：影响行星在轨道上远离太阳的距离变化。偏心率越大，行星在近日点接收的太阳辐射越多，在远日点则越少。这导致行星接收的总太阳辐射年际或长期波动，直接影响全球气候，特别是极地气候的稳定性和冰量的变化。*公转周期（轨道周期）：决定了行星绕太阳公转一周所需的时间。公转周期与轨道偏心率、轴倾角共同作用，形成了米兰科维奇旋回，驱动长期的气候周期性变化（冰期-间冰期），这对极地覆冰的演化有决定性影响。例如，地球的轨道周期和轴倾角变化共同导致了其地质历史中的冰盖周期。4.简述雷达遥感技术在探测不同类型行星极地冰（水冰、干冰）中的应用原理和区别：*应用原理：雷达测冰利用发射的电磁波（通常是微波）照射行星表面，通过分析反射回波的特性（如强度、相位、频率）来获取关于表面覆盖物（如冰）的信息。不同介质对雷达波的反射、吸收和穿透能力不同。*水冰探测：水冰对雷达波的穿透能力相对较好，尤其是在频率较高（如厘米波、分米波）时。雷达可以穿透一定厚度的水冰层，探测其下的结构或对冰层内部的气泡、夹杂物进行成像。低频雷达主要用于探测冰盖的整体厚度和表面形貌。*干冰探测：干冰（CO2冰）对雷达波的反射率非常高，尤其是在特定频率（如微波的特定频段）下。这使得雷达非常适合用于探测表面的干冰层，如火星南极的干冰盖。干冰的雷达回波通常很强，甚至可以探测到其表面的细微纹理。但干冰的雷达穿透能力远低于水冰。*区别：主要在于雷达波与不同冰体的相互作用方式不同：水冰倾向于穿透，干冰倾向于强反射；这导致雷达系统参数（频率、波形等）的选择和探测目标（表面覆盖、内部结构）的差异。5.解释为何科学家认为木卫二（Europa）的极地（实际上是整个卫星表面）覆冰之下可能存在液态水海洋，并说明主要的证据来源：*原因：木卫二的极地（以及整个卫星表面）被一层厚度估计在10-30公里左右的冰壳覆盖。科学家认为其下方可能存在液态水海洋，主要基于以下几点：*轨道共振加热：木卫二处于木星和木卫三（伽利略卫星）的轨道共振中，这种引力相互作用产生的潮汐力持续摩擦，为木卫二内部提供了巨大的、持续的热量来源，足以维持冰壳下液态水的存在。*年轻的地质表面：木卫二表面年轻，布满了大量的裂缝、线状特征（可能为冰流）和撞击坑，表明冰壳处于活跃的地质状态，可能存在冰壳与海洋之间的物质交换，即冰壳的持续更新，这通常需要液态水参与。*表面水冰的形貌特征：表面水冰中可能含有较高的盐分（类似于地球的海水），这降低了水的冰点，使得在木卫二表面的温度和压力条件下，液态水海洋得以稳定存在。*证据来源：*伽利略号木星轨道器：提供了木卫二表面的高分辨率图像、光谱数据，揭示了其年轻地质活动、可能的冰壳构造以及表面可能的水冰成分。*卡西尼号土星探测器：在飞越木卫二时进行了探测，获取了大气和表面的数据，进一步支持了其活跃地质和潜在海洋的特征。*赫歇尔太空望远镜等空间望远镜：通过观测木卫二发出的微弱水蒸气羽流，提供了关于其表面水冰升华和潜在海洋释放证据的线索。*地球物理学模型：基于木卫二的形状、自转和轨道参数建立的模型，计算了内部的热流分布，支持了存在液态海洋的可能性。三、论述题1.综述行星极地覆冰的形成条件，并分析其在行星早期演化和当前气候调节中所扮演的关键角色。*形成条件：*低温：极地地区由于纬度高、日照时间短、大气环流等因素，温度通常较低，是水汽等挥发性物质能够凝结成冰的有利场所。*充足的挥发分供应：行星需要拥有足够的水汽（或其他挥发分，如CO2、NH3）通过大气循环或从外部（如小行星、彗星撞击）到达极地地区。*降雪/沉积过程：挥发性物质需要在极地地区通过降雪、凝华或直接沉积的方式积累下来。*压实作用：随着时间的推移，不断积累的冰层会因为自身重量发生压实，使得上部的冰转变为更致密的冰（如冰II、冰III）。*能量平衡与长期稳定性：极地覆冰的形成和维持需要行星的能量收支和气候系统达到一定的稳定状态。*在行星早期演化中的关键角色：*挥发分储存库：极地冰盖是行星表面重要的挥发性物质（尤其是水）的长期储存库，对于维持行星大气的成分和总量至关重要。*气候记录器：冰盖中的气泡包含了过去大气成分（如气体、尘埃、火山灰）的样本，是研究行星早期大气演化和气候变迁的宝贵记录。*影响早期气候：大型冰盖的形成（如盖亚假说中的雪球地球）可以显著改变行星的反照率（增加），吸收更多太阳辐射，导致全球性降温甚至极端冰期。*行星宜居性的标识：存在稳定极地冰盖往往被视为行星具备液态水表面和潜在宜居性的一个指标。*在当前气候调节中的关键角色：*反照率效应（阿尔贝斯效应）：白色的冰盖具有很高的反照率，能反射大部分太阳辐射，从而冷却行星表面。冰盖的消融会减少反照率，导致进一步变暖（正反馈）。*水循环调节：极地冰盖是水循环的重要环节，影响全球水汽分布和降水模式。*温室效应缓冲：水冰和干冰等冰体的相变（如升华、凝华）在气候系统中扮演着重要的热力学和化学调节角色。*海平面变化：极地冰盖的消长直接关系到全球海平面的高度，对地球沿海地区产生深远影响。2.详细讨论地球和火星极地覆冰分布与演化的异同，并分析这些差异反映了两者在地质历史、大气演变和轨道参数等方面的不同。*相同点：*存在形式：两者极地都有大规模的水冰（地球南极为冰盖，北极主要为永久冻土覆盖下的季节性冻土和少量冰川）和干冰（火星南极为巨型的干冰盖）。*形成机制：都与行星的气候、大气循环和低温条件有关。地球极地冰盖的形成与水汽凝结、积累和压实有关；火星极冠的形成与水冰升华和季节性沉积有关。*季节性变化：地球和火星的极地覆冰都表现出明显的季节性变化，尽管程度和机制有所不同（地球是固态水的季节性消长，火星是干冰的季节性覆盖和吹散）。*对气候的敏感性：两者极地覆冰都对气候变化非常敏感，是气候变化的指示器，也反过来影响全球气候（如反照率效应）。*不同点：*规模和稳定性：地球极地冰盖（尤其是南冰盖）规模巨大且形成年代久远，相对稳定；火星的干冰盖规模也很大，但季节性变化显著，且存在地质证据表明其历史上有过远超现在的扩张和收缩。北极的永冻土相对规模较小。*主要成分：地球极地以水冰为主；火星两极以干冰为主，水冰主要存在于南极冰盖内部或作为季节性覆盖。*演化历史：地球经历了多次大规模的冰期-间冰期循环（如第四纪冰期），反映了其气候系统的复杂性。火星的极地覆冰历史与轨道参数变化（米兰科维奇旋回）的关系更为密切，存在过全球性大冰期的假说。*内部结构：地球南冰盖内部结构复杂，存在冰下湖泊和海洋。火星南极干冰盖之下可能存在液态水海洋（木卫二），但地球北极主要是固态冰和冻土。*差异反映的行星背景：*地质历史：地球拥有更活跃的板块构造和内部热流，可能影响了其冰盖的长期稳定性。火星地质活动长期停滞，内部热流较低，其冰盖演化更多地受外部因素（大气、轨道）控制。*大气演变：地球拥有保护性臭氧层和相对丰富的氮氧大气，使其水冰得以稳定积累和长期保存。火星大气稀薄、贫氧、富含CO2，其极地覆冰（干冰和水冰）的动态平衡与大气逃逸、太阳辐射、轨道参数变化密切相关。*轨道参数：两者都受到米兰科维奇旋回的影响，但地球的轴倾角、偏心率变化可能更剧烈或更频繁，导致了更显著的冰期循环。火星的轨道参数变化对其极地气候和覆冰演化可能起到了更关键的作用。3.以某一特定行星或卫星（如火星、木卫二、土卫二、海卫一）为例，阐述人类如何利用多种空间探测技术（如轨道遥感、着陆器观测、探测器飞越）来研究其极地覆冰的组成、结构、动态变化及其科学意义。*以木卫二（Europa）为例：*轨道遥感（伽利略号、卡西尼号、朱诺号、惠更斯号、欧洲空间局JUICE）：*成像：高分辨率相机（如伽利略号的SolidStateImaging,SSI；卡西尼号的VisualandInfraredMappingSpectrometer,VIMS；朱诺号的JovianInfraredAuroralMapper,JIRAM）获取了木卫二表面的详细图像，揭示了其年轻、活跃的地质特征，如裂缝、线状结构、撞击坑、冰羽流等，表明冰壳处于动态状态。*光谱成像/光谱仪：VIMS、JIRAM等通过分析反射光谱，识别表面水冰成分，探测潜在的氨冰或其他挥发分，评估冰的纯度。伽利略号的Near-InfraredMappingSpectrometer(NIMS)在飞越时探测到了水冰羽流。*雷达高度计/雷达测冰雷达：伽利略号和朱诺号的高度计测量了冰壳的形状和地形，提供了关于冰壳厚度和挠曲的信息。朱诺号的雷达测冰系统（JunoCam）也用于成像。未来的JUICE将携带先进的雷达系统深入探测冰壳结构和厚度。*磁力计：伽利略号和朱诺号的磁力计测量了木卫二的磁场。木卫二整体磁场的缺失和局部异常表明其内部可能存在一个saltyocean（盐水海洋），而非固态硅酸盐核心，这是推断海洋存在的关键证据。*次声波探测器（伽利略号）：探测到了可能由冰层断裂或撞击引发的次声波信号，提供了关于冰壳内部结构和动态过程的间接信息。*着陆器观测（计划中）：未来可能的着陆器（如NASA的EuropaLander）将直接降落在木卫二冰壳表面，进行实地探测。*钻探：直接获取冰壳的岩芯样本，分析其年龄、层序、成分（水冰、盐分、有机物、微生物痕迹等），直接证据证明冰下海洋的存在及其与表面的联系。*表面地质观测：利用相机、光谱仪、热探头等，详细研究表面地质构造、物质性质、温度分布。*地震仪：安装地震仪探测冰壳内部的结构和波动，进一步揭示冰壳厚度、内部温度分布和是否存在海洋。*探测器飞越（伽利略号、卡西尼号、朱诺号）：*大气和表面成分探测：在飞越过程中，通过光谱仪和离子/中性粒子分析仪（如伽利略号的INCA,GRS；卡西尼号的INMS；朱诺号的JADE,JIRAM）探测木卫二稀薄大气的成分（水冰蒸汽、氧气、二氧化硫等）和表面挥发分的分布。*等离子体和磁场测量：探测木卫二与木星磁场相互作用产生的等离子体环境，帮助理解其与母星的能量输入和地质活动的关系。*科学意义：研究木卫二的极地（整个表面）覆冰对于理解：*外行星卫星的地质演化和冰壳动力学。*极地冰盖在行星宜居性中的作用（作为潜在海洋的保护屏障和能量来源）。*寻找地外生命存在的可能性（如果存在液态水海洋）。*行星系统的形成和演化过程。*木星磁场和空间环境的相互作用。4.探讨研究行星极地覆冰对于理解行星宜居性判据的意义，并分析当前面临的主要科学挑战和未来的研究方向。*对理解行星宜居性判据的意义：*液态水的存在：极地覆冰（特别是其下方的液态水海洋，如木卫二、土卫二、海卫一）是评估行星宜居性的关键指标之一。液态水被认为是生命存在的必要条件。*宜居带的维持：极地冰盖通过反照率效应和储存大量挥发分，有助于稳定行星的气候，使其长期处于宜居带内，避免极端温度变化。*挥发分的储存与循环：极地是行星表面重要的挥发分（水、氨、甲烷等）储存库。这些挥发分参与行星的水循环和气候系统，其丰度和分布对宜居性至关重要。冰盖的相变（冻结/融化）是挥发分循环的关键环节。*生命庇护所的可能性：对于像木卫二这样的卫星，冰壳可能为潜在的微生物生命提供一个物理和化学上相对隔离的庇护所，抵抗外部恶劣环境（如强烈的辐射）。*生物标志物的潜在线索：如果存在生命，冰盖（特别是冰下