2025年大学《行星科学》专业题库- 行星地磁场形成机制

2025年大学《行星科学》专业题库——行星地磁场形成机制考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题1.行星地磁场的主要来源是______理论，该理论认为导电的液态核心在运动中通过______效应产生电流，进而产生磁场。2.地球地磁场的磁轴与自转轴之间存在一个大约______度的夹角。木星和土星等气态巨行星拥有非常强的______场，其强度可达地球的数倍。3.金星几乎没有全球性的地磁场，其主要原因被认为是其内部核心可能已经______，失去了产生磁场的动力。天王星和海王星的磁场则呈现出显著的______特征，即磁轴与自转轴的夹角很大。4.古地磁学研究为地球内部存在一个______的液态外核提供了重要证据。通过分析不同年龄岩石的剩磁方向，科学家可以重建地球磁极______的历史。5.空间探测器上搭载的______是测量行星及其卫星磁场强度和方向的主要仪器。二、判断题（请判断下列说法的正误，正确的划“√”，错误的划“×”）1.行星的自转速度越快，越容易产生强烈的全球性地磁场。（）2.所有行星都像地球一样拥有强大的偶极磁场。（）3.行星地磁场的强度与其核心的导电性和对流速度直接相关。（）4.观测到火星曾经拥有过全球性磁场，但目前已基本消失，这为研究行星宜居性提供了重要线索。（）5.发电机理论认为，行星地磁场是核心中的液态金属在自转和内部热驱动下自发产生的。（）6.磁轴与自转轴重合是行星地磁场存在的必要条件。（）7.行星的大气层和电离层活动也可能对行星表面的局部磁场产生一定影响。（）三、简答题1.简述发电机理论的基本原理及其产生全球性磁场的必要条件。2.比较地球与火星地磁场形成机制的显著差异，并解释火星磁场减弱的可能原因。3.解释什么是地磁场的“偶极矩”，并说明其衰减模式。4.为什么说木星和土星拥有比地球更强的地磁场？这与其内部结构有何关联？四、论述题1.综合考虑行星的大小、质量、成分、自转速率和内部热状态等因素，论述为什么类地行星（如地球、火星、金星）的地磁场类型存在差异？2.行星地磁场的存在对行星的宜居性有何重要意义？请结合地球和火星的例子进行说明。试卷答案一、填空题1.发电机,阿尔芬(或涡流)2.11-13,偶极3.凝固,倾斜(或异常)4.分离,偏移(或迁移)5.磁力计二、判断题1.√2.×3.√4.√5.√6.×7.√三、简答题1.解析思路:首先回答发电机理论的核心：液态导体（如行星核心的液态金属）在运动磁场（由自转驱动）中因洛伦兹力产生电流，这些电流又产生新的磁场，这个新磁场与驱动电流的原始磁场相互作用，形成正反馈，最终产生并维持全球性磁场。然后列出产生此现象的必要条件：①存在导电的液态外核；②行星需要具备足够的自转速度以驱动核心物质运动；③内部需要存在热源（如放射性元素衰变、核心与地幔的热量传递）来维持核心的液态状态和对流。2.解析思路:比较两者时，指出地球有液态外核且自转较快，符合发电机理论条件，产生强偶极磁场；火星早期可能也有液态外核，但后来核心冷却凝固，失去发电机条件，磁场迅速衰减，目前只剩下一些残存的局部磁场或偶极矩非常小的偶极场。解释原因需强调核心状态（液态vs凝固）是磁场有无及强弱的关键。3.解析思路:解释偶极矩是描述地磁场强度和方向的物理量，通常用垂直于磁轴的磁场强度与距离磁场源无限远处的距离之比来定义。其衰减模式源于发电机过程的不稳定性，磁场强度会随时间呈指数函数衰减，这意味着磁场强度大约每数百万年衰减到原始强度的一半（半衰期）。4.解析思路:说明木星和土星是气态巨行星，体积和质量远大于地球。其强大的地磁场与其巨大的质量相关，能维持更庞大的液态金属核心，并使其具有极高的自转速率（导致更强的核心对流）。这两者结合，使得其核心发电机效应远超地球，从而产生更强的全球性磁场。关联在于，磁场强度直接反映了核心的导电性、对流速度和行星的整体规模与自转状态。四、论述题1.解析思路:从形成地磁场的核心要素（液态外核、自转速率、内部热流）入手，逐一分析不同类地行星的差异。大小和质量决定了核心的大小和初始热量，影响核心状态和热历史；成分影响元素分布和相变边界，进而影响核心的液态区域和热传导；自转速率是驱动核心对流的直接动力，速率快则对流强，磁场可能更强；内部热状态（如放射性元素丰度、地幔导热性）决定了核心的熔融状态和维持液态的时间长度。综合这些因素，不同行星在形成和演化的不同阶段，其内部条件不同，导致地磁场类型和强度产生显著差异。2.解析思路:阐述地磁场对行星宜居性的意义需从几个方面展开：①辐射屏蔽:强大的地磁场能有效地偏转来自太阳风和宇宙射线的高能带电粒子，形成磁层，保护行星表面大气层不被剥离，并减少地表生物所受的辐射剂量。地球磁层是抵御太阳风、保护臭氧层和地表生命的关键屏障。②宜居环境维持:火星曾经拥有全球性磁场（证据来自古地磁数据），但如今磁场微弱，火星稀薄的大气层大部分被太阳风剥蚀，表面温度剧变