2025年大学《行星科学》专业题库- 太阳系行星的尘埃环分布规律

2025年大学《行星科学》专业题库——太阳系行星的尘埃环分布规律考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.以下哪个行星系统目前已知拥有最复杂和最丰富的尘埃环系统？A.木星B.天王星C.海王星D.土星2.导致土星E环呈现出尖峰状分布的主要物理过程是？A.环内尘埃的共振清空B.来自土卫十（Tethys）的碎屑物质C.环内尘埃的螺旋沉降D.外部小天体的持续撞击3.在土星环的动力学中，“shepherd卫星”主要扮演的角色是？A.向环内注入物质B.引起环内剧烈的波扰动C.通过轨道共振稳定环的边缘，维持环的宽度D.导致环内出现明显的暗条4.以下哪种机制被认为是土星A环中的卡西尼环缝（CassiniDivision）形成的主要原因？A.土卫六（Titan）的引力扰动B.土卫五（Rhea）的共振清空作用C.环内物质通过开普勒运动逃逸D.土星引力和环内尘埃与卫星间的引力平衡5.观测到土星环中的波纹（Bands）现象，其主要成因可以解释为？A.环内尘埃颗粒大小分布的不均匀B.环内存在局部密度异常C.周期性外部强迫（如卫星引力）引起的环内振荡D.光学散射效应的差异6.与土星环相比，木星环的主要特征是？A.更加广阔和明亮B.由更细小的尘埃颗粒组成C.结构更加复杂，包含多个环带D.几乎完全由冰质颗粒构成7.尘埃环中的“光环”（Ringlets）结构通常被解释为？A.环物质被外部小天体撞击产生的临时堆积B.由单个卫星或小群卫星通过轨道共振维持的稳定结构C.环内尘埃因密度差异自然分选形成的区域D.光学效应导致的伪影8.尘埃颗粒在环内的螺旋沉降现象主要受哪个因素影响最大？A.尘埃颗粒的初始大小和密度B.环内的局部引力场C.环内尘埃与卫星的相互碰撞D.环的开口角度9.早期天文学家对土星环的观测主要依赖于？A.空间探测器的近距离成像B.光学望远镜的高分辨率观测C.雷达探测技术D.卫星上的光谱分析仪器10.关于尘埃环的形成，以下哪种观点目前被认为可能性较小？A.行星本身碎裂产生的物质B.卫星与小行星或彗星碰撞产生的碎片C.来自土星引力场捕获的星际尘埃D.行星大气的气体凝结并沉降二、填空题（每空2分，共20分）1.太阳系中，目前已知唯一拥有环系统的行星是________行星。2.土星环系统中，位于A环和F环之间，由土卫十七（Rhea）诱导共振形成的空隙被称为________。3.能够通过引力作用束缚住环内物质，维持环带宽度的卫星被称为________卫星。4.尘埃环中的尘埃颗粒由于受到行星引力和________力的共同作用，其轨道会逐渐向内迁移，这种现象称为螺旋沉降。5.观测表明，土星E环主要由________（卫星名称）破裂产生的细小碎片构成。6.尘埃环的亮度通常随________的增加而减弱。7.环内物质在开普勒轨道附近因受到周期性引力扰动而产生的稳定性波状运动模式，被称为________。8.除了尘埃环，土星环系统中还存在由水冰块组成的________环。9.通过分析环内物质的颜色和光谱特征，可以推断出尘埃颗粒的________和________。10.决定尘埃环中开普勒轨道与卫星轨道发生________的关键参数是两者的相对轨道频率。三、名词解释（每题4分，共20分）1.轨道共振（OrbitalResonance）2.环缝（Gap）3.尘埃环的光学厚度（OpticalDepth）4.螺旋沉降（SpiralInfall）5.哈伯环（HubbleRing）四、简答题（每题6分，共30分）1.简述观测土星环主要采用的天文技术手段及其各自的优势。2.简要解释土星环为什么能够维持其复杂的结构，而不是因为尘埃颗粒的相互碰撞而迅速变得均匀。3.简述导致土星E环与土卫十（Tethys）之间形成轨道共振带（环缝）的物理机制。4.解释什么是“shepherd卫星”，并举例说明其在维持土星环结构中的作用。5.尘埃环中的尘埃颗粒是如何从其初始轨道逐渐向行星内侧螺旋沉降的？这个过程对环的结构有何影响？五、论述题（每题10分，共20分）1.试比较并论述土星环与木星环在结构、组成和动力学特征上的主要差异，并分析造成这些差异的可能原因。2.从形成机制、结构特征和演化过程三个方面，对土星环系统进行综合论述。试卷答案一、选择题1.D2.C3.C4.B5.C6.B7.B8.A9.B10.C二、填空题1.土星2.EnckeGap3.shepherd4.惯性5.Tethys6.距离7.self-gravitationalwaves/wavemodes8.main9.size/composition10.resonance三、名词解释1.轨道共振（OrbitalResonance）：指两个天体（如环内尘埃颗粒与某个卫星）在绕中心天体（如土星）公转时，它们的轨道周期之间存在简单的整数比关系（如3:2,2:1），导致它们在轨道运动中相对位置周期性地重复出现特定配置（如成一直线或相隔固定角度），这种周期性的引力相互作用会显著影响环内物质的运动和分布。2.环缝（Gap）：指在行星环系统中，由于某个卫星通过轨道共振清空了其引力作用范围内的环内物质，或者由于环内尘埃颗粒的螺旋沉降导致物质无法维持在特定轨道半径，而在环带中形成的物质稀疏或缺失的区域，通常表现为明暗分界的空隙。3.尘埃环的光学厚度（OpticalDepth）：描述环内尘埃对可见光的吸收和散射程度的物理量，是衡量环亮度的关键参数。它定义为单位路径长度上尘埃颗粒对光的减弱因子，决定了从环平面法线方向观测时环的亮度。光学厚度通常与尘埃颗粒的浓度、大小分布以及环的倾角有关。4.螺旋沉降（SpiralInfall）：指环内尘埃颗粒在绕行星公转时，除了受到中心行星的引力（提供向心力）外，还会受到来自行星自转产生的惯性力（惯性离心力）的作用。由于惯性力与向心力方向相反，尘埃颗粒的实际轨道会逐渐偏离开普勒轨道，表现为向行星内侧螺旋状迁移的过程。5.哈伯环（HubbleRing）：一种由星际尘埃或彗星尘埃在通过木星引力场时被捕获并激发形成的环状结构。当这些尘埃云以接近木星轨道速度但略有差异的角度通过木星附近时，木星的引力会使其拉伸并扭曲成环状，但随后尘埃会因速度损失而螺旋沉降，环会逐渐消失。哈伯环是詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的现象。四、简答题1.观测土星环主要采用的天文技术手段及其各自的优势：*地面光学望远镜：主要优势在于成本相对较低，可以持续观测。通过高分辨率成像可以分辨环的结构和暗条，通过光谱分析可以获取环的成分、颗粒大小和年龄信息。但受大气扰动影响，分辨率和观测能力受限。*空间望远镜（如哈勃、韦伯）：主要优势在于摆脱了大气限制，能够获得极高的空间和光谱分辨率，可以从不同波长（可见光、红外、紫外）观测环，揭示更多细节（如尘埃的温度、成分、散射特性），并观测到其他行星系统中的环。但任务成本高，观测时间窗口受限。*专用空间探测器（如卡西尼）：主要优势在于能够进行近距离、多波段的直接成像和光谱测量，获取极高分辨率的数据，并可以探测环内尘埃的粒子大小分布、空间密度分布、速度分布等。还可以直接观测环与卫星、行星的相互作用。但探测任务成本极高，观测时间有限。*雷达探测：主要优势在于可以穿透云层（对木星环尤其重要），并可以获取环的形状、大小、密度和结构信息，尤其对探测暗环和环的侧面有优势。2.简述土星环为什么能够维持其复杂的结构，而不是因为尘埃颗粒的相互碰撞而迅速变得均匀：土星环能够维持复杂结构的关键在于存在多种力的平衡和约束机制，阻止了尘埃颗粒的随机运动和完全混合：*行星引力：提供了使尘埃颗粒大致约束在开普勒轨道上的主要引力。*轨道共振：某些轨道半径处的环内物质会与特定卫星发生轨道共振，卫星的引力扰动会清除该半径处的物质，形成环缝，或选择性地稳定特定宽度的环带。*卫星的引力摄动（Shepherd效应）：一些卫星（如土卫十七、土卫十八）位于环的边缘，其引力作用如同“守门员”，通过轨道共振稳定环的宽度，防止环物质扩散。*环内尘埃的自身引力：当环足够宽或足够密时，环内物质会因相互吸引而产生微弱的自身引力，有助于维持环的形状，抵抗外部扰动。*行星的洛希极限：尘埃颗粒通常位于行星的洛希极限之内，这意味着它们的轨道受到行星的束缚，难以逃逸。*相对较小的碰撞率：尽管环内存在碰撞，但相对于星际尘埃环境，行星引力场使得环内尘埃颗粒的相对速度较低，且存在上述多种约束力，使得它们不会像在完全无约束的空间中那样快速随机化。螺旋沉降虽然使物质向内迁移，但共振和自身引力等因素限制了环的整体扩散。3.简述导致土星E环与土卫十（Tethys）之间形成轨道共振带（环缝）的物理机制：土卫十（Tethys）与土星环中的尘埃颗粒之间存在轨道共振现象。当尘埃颗粒的轨道周期与土卫十的轨道周期之比为2:1时，会发生2:1轨道共振。这意味着每当土卫十完成两圈公转时，尘埃颗粒恰好完成一圈公转。在此配置下，尘埃颗粒会周期性地与土卫十排成一条直线。土卫十对环内物质的引力作用（尤其是在其拉格朗日点L1和L2附近）会强烈地扰动这些处于共振状态的尘埃颗粒，将其从共振轨道上“清空”，从而在土卫十轨道附近形成一个物质稀疏的环缝。这个环缝的半径大致位于土卫十轨道半径的1.02倍处（L1点附近）。4.解释什么是“shepherd卫星”，并举例说明其在维持土星环结构中的作用：Shepherd卫星是指那些位于行星环带边缘，通过其引力与环内物质发生轨道共振，从而能够稳定环带宽度的卫星。它们如同足球比赛中的“守门员”一样，限制环物质向外扩散或向内沉降，保护环带的边界。Shepherd卫星的引力场会在其轨道附近的环内物质上产生周期性的引力扰动，这种扰动倾向于将环物质束缚在特定的轨道半径附近。例子：土卫十七（Rhea）诱导形成了土星环中的Encke环缝和Huygens环缝；土卫十八（Polydeuces）与土星G环的边缘相互作用，稳定了G环的宽度；土卫二（Dione）与F环的边缘也存在共振关系，维持了F环的形状。这些卫星通过共振机制，有效地“固定”了环的边缘，使得环的结构得以保持清晰和稳定。5.尘埃环中的尘埃颗粒是如何从其初始轨道逐渐向行星内侧螺旋沉降的？这个过程对环的结构有何影响：尘埃颗粒在绕行星公转时，会受到行星引力和惯性力（惯性离心力）的共同作用。行星引力提供向心力，使尘埃沿近似开普勒轨道运动；而由于行星自转，尘埃颗粒会感受到一个与其轨道运动方向相反的惯性力。这个惯性力与引力合力作用的结果，使得尘埃颗粒的实际运动轨道不再精确地闭合，而是呈现出向行星内侧螺旋推进的趋势。随着时间的推移，尘埃颗粒沿着这个螺旋路径不断向内迁移，最终可能沉降到行星表面或被行星吞噬。这个螺旋沉降过程对环的结构有显著影响：*环的演化：使环的整个系统逐渐向行星内侧“收缩”或“变扁”。*物质输运：将环边缘的物质向内部输送，可能导致环的密度和光学厚度在径向上发生变化。*形成环缝：螺旋沉降是导致环缝形成的重要原因之一。当尘埃从某个轨道迁移时，会清除该轨道上的物质，形成空隙。同时，由于共振会加剧沉降速率，共振带（如EnckeGap、CassiniDivision）的形成与螺旋沉降密切相关。*限制环的最大半径：螺旋沉降使得尘埃无法长期稳定地存在于距离行星过远的地方，从而限制了行星环系统的整体尺寸。五、论述题1.试比较并论述土星环与木星环在结构、组成和动力学特征上的主要差异，并分析造成这些差异的可能原因：*结构：*土星环：以宏伟、复杂和明亮著称。拥有多个主要环带（A,B,C,D,E,F），结构精细，包含众多环缝、环沟、波纹、光环。主环（A,B,C）主要由水冰颗粒构成，厚度相对较小。E环异常宽大且暗，由细小颗粒和碎屑构成。F环窄而亮，结构稳定。G环和E环相对较暗。*木星环：相对暗淡、稀疏且结构简单。主要由暗色（富碳）的尘埃颗粒构成。主要包含一个宽而稀疏的主环（MainRing）和几个较窄的环（如HaloRing,AmaltheaGossamerRing,ThebeGossamerRing）。结构上缺乏土星环的精细特征（如清晰的环缝、光环），环与内部卫星的相互作用更为显著。*组成：*土星环：主环以水冰为主，E环可能混杂有更多来自土卫十碎裂的细小颗粒。不同环的光学厚度和颜色差异大。*木星环：几乎完全由暗色的星际尘埃、小行星碎片或彗星尘埃构成，缺乏水冰。*动力学：*土星环：动力学过程复杂多样，共振效应（特别是2:1共振）和自身引力对环结构的塑造作用显著。Shepherd卫星扮演重要角色。螺旋沉降明显，但被共振等机制部分抑制。*木星环：动力学主要受其附近大型伽利略卫星（木卫一、二、三、四）的强烈引力摄动控制。环物质的运动受到卫星引力场的剧烈扰动，导致环物质向内沉降较快，环的结构相对不稳定，可能与伽利略卫星的引力作用密切相关。*差异原因分析：*母体天体引力场：土星质量约为木星的30%，但其密度更高，引力场可能对尘埃的束缚能力更强，允许更广阔、更复杂的环系统形成。土星拥有更多的大型卫星，其共振和shepherd作用更丰富。*卫星系统：土星卫星系统规模更大，卫星数量更多，质量更大，可能为环的形成、维持和演化提供了更多样化的机制（如碎裂源、共振诱导者）。木星的伽利略卫星虽然巨大，但其对环的影响可能更直接、更剧烈，导致环更稀疏、更受控制。*尘埃来源：土星环的水冰可能来源于早期土星的卫星碎裂或彗星撞击。木星环的暗尘埃来源可能与木星引力场捕获的星际物质或小行星物质有关。*行星自转速度：土星的自转速度较快，可能产生更强的惯性力，影响尘埃的螺旋沉降速率和共振结构。2.从形成机制、结构特征和演化过程三个方面，对土星环系统进行综合论述：*形成机制：土星环的形成机制目前尚无定论，主要有两种假说：一是土星早期拥有一个大型卫星（“土卫五假说”），该卫星因引力不稳定性碎裂解体，形成了环系统；