2025年大学《地球系统科学》专业题库- 地球系统中的能源资源利用

2025年大学《地球系统科学》专业题库——地球系统中的能源资源利用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题4分，共20分）1.地球系统科学2.可再生能源3.碳足迹4.能源转型5.生物地球化学循环二、简答题（每题6分，共30分）1.简述化石能源的形成过程及其对地球大气圈可能产生的重大影响。2.比较太阳能和风能作为两种可再生能源的主要优缺点。3.简述能源利用与气候变化之间存在的主要联系。4.什么是“可持续发展”？在能源资源利用领域，实现可持续发展面临哪些主要挑战？5.简述水循环在地球能源系统中的角色和意义。三、论述题（每题15分，共45分）1.从地球系统科学的角度，论述人类追求能源利用效率提升的必要性和可行性，并分析其在全球能源转型中可能扮演的角色。2.选择你熟悉的某一种具体能源（例如化石能源、太阳能、水能、生物质能、地热能、核能等中的任意一种），结合其开发利用过程，详细分析其对地球系统（至少涉及大气圈、水圈、岩石圈、生物圈中的两个以上圈层）可能产生的正面和负面影响，并提出相应的缓解或改善措施。3.分析当前全球能源格局面临的主要问题（如能源安全、环境污染、气候变化等），并探讨地球系统科学视角下的未来能源解决方案可能包含哪些关键要素和方向。试卷答案一、名词解释1.地球系统科学：一个研究地球作为一个整体系统及其各组成部分之间相互作用、相互影响过程的跨学科领域。它关注大气、海洋、陆地、冰雪、生物等圈层以及岩石圈、水圈、大气圈之间的能量、物质和信息的流动与循环，旨在理解地球系统的结构、动态、功能和演变，并预测其未来变化。2.可再生能源：指在自然界中可以再生、持续利用的能源，其供应是无限的或可以持续的。主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能等，其开发利用过程通常对环境的负面影响较小。3.碳足迹：指个人、组织、活动或产品在其整个生命周期中直接或间接产生的温室气体（主要是二氧化碳当量）排放总量。通常以二氧化碳当量千克或吨为单位进行衡量，是评估人类活动对气候变化影响的重要指标。4.能源转型：指一个国家或地区在能源结构、能源技术、能源政策等方面发生的根本性、系统性转变过程。通常指从依赖化石能源向更加清洁、高效、可持续的可再生能源和核能等能源体系转变。5.生物地球化学循环：指化学元素（如碳、氮、磷、水等）在地球各圈层（大气圈、水圈、岩石圈、生物圈）之间通过生物作用和非生物作用进行迁移、转化和循环的过程。这些循环对维持地球生命支持和调节气候至关重要，与能源利用活动密切相关。二、简答题1.简述化石能源的形成过程及其对地球大气圈可能产生的重大影响。*答案：化石能源（煤、石油、天然气）是由古代生物（植物、微生物）的遗骸在地壳深处，经过漫长的地质年代（数百万年），在高温高压条件下转化而成的有机沉积岩。其形成过程涉及生物积累、埋藏、石化作用等阶段。*对地球大气圈的影响：当化石能源被燃烧时，会将其地质储存期间固定下来的大量碳元素以二氧化碳等温室气体的形式释放到大气中。这导致大气中温室气体浓度急剧增加，增强温室效应，导致全球平均气温升高，引发气候变化等一系列大气圈层变化。*解析思路：第一步，清晰描述化石能源的来源和形成过程，强调其碳的地质储存特性。第二步，重点阐述化石能源燃烧这一人类活动如何将储存的碳释放出来。第三步，明确指出释放的温室气体（主要是CO2）对大气成分的改变，并直接关联到其对大气圈（特别是温度和气候）的重大影响。2.比较太阳能和风能作为两种可再生能源的主要优缺点。*答案：太阳能：*优点：资源极其丰富，分布广泛，清洁无污染，技术成本持续下降。*缺点：能量密度低，受天气和日照时间影响大，具有间歇性和波动性，需要较大的土地面积部署，电池储能成本较高。*风能：*优点：资源潜力大，能量密度高于太阳能，发电成本相对较低（尤其海上风电），可以实现较快的建设周期。*缺点：受地理位置和风力条件限制，存在视觉和噪音影响，对鸟类和蝙蝠可能造成影响，风机寿命和回收处理问题。*解析思路：分别针对太阳能和风能，从资源特性、环境影响、技术经济性、部署条件、稳定性等多个维度进行对比分析。列出各自显著的优点和需要克服的缺点，确保对比全面。3.简述能源利用与气候变化之间存在的主要联系。*答案：能源利用与气候变化之间存在密切的因果关系。人类活动（特别是燃烧化石燃料、工业生产、土地利用变化等）消耗能源，这个过程会向大气中排放大量的温室气体（如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等）。这些温室气体在大气中积累，像毯子一样包裹地球，吸收和重新辐射红外线，导致地球系统（特别是大气和海洋）能量失衡，全球平均气温上升，进而引发海平面上升、极端天气事件增多增强、冰川融化等一系列气候变化现象。*解析思路：阐明能源利用的主要方式（燃烧化石燃料）及其排放的温室气体种类。解释温室气体的作用机制（增强温室效应）。最后说明这种效应导致的全球气候系统变化的具体表现，清晰地建立起能源消耗->温室气体排放->温室效应增强->气候变化这一链条。4.什么是“可持续发展”？在能源资源利用领域，实现可持续发展面临哪些主要挑战？*答案：可持续发展是指既满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的能力的发展模式。它强调经济、社会和环境三个维度之间的协调发展，旨在实现人类福祉的提升与地球生态系统的健康保护相统一。*能源资源利用领域的挑战：实现能源资源利用的可持续发展面临诸多挑战，主要包括：*如何在满足当前社会经济发展和能源需求的同时，大幅减少能源活动产生的环境污染和温室气体排放。*如何在确保能源安全稳定供应的前提下，加速向清洁、低碳的可再生能源基能源系统转型。*如何平衡能源开发利用与生物多样性保护、水土资源保护等生态承载力之间的矛盾。*如何在全球化背景下，协调各国在能源政策、技术标准、公平分配等方面的差异，共同应对全球气候变化。*如何降低清洁能源技术的成本，提高其普及率和可及性，特别是对于发展中国家和弱势群体。*解析思路：第一问，首先给出可持续发展的标准定义，并点明其核心内涵（代际公平、协调发展）。第二问，从环境（减排）、能源系统转型（安全与清洁）、生态保护（承载力）、全球合作（公平与协调）、经济可及性（成本与普及）等多个相互关联的方面，系统阐述能源领域可持续发展的主要挑战。5.简述水循环在地球能源系统中的角色和意义。*答案：水循环在地球能源系统中扮演着至关重要的角色和意义：*能量传输与转换：水循环过程（蒸发、输送、降水、径流）伴随着巨大的能量交换和转换，是驱动大气运动、洋流等大型地球系统运动的重要能量来源。水相变（蒸发吸热、凝结放热）本身也涉及能量的吸收和释放。*可再生能源的媒介：水循环是水能（利用河流、潮汐、波浪运动）、海水温差能等可再生能源开发的核心要素。水资源的丰沛程度直接影响这些能源的潜力。*能源利用的影响因素：水循环的状态（如降水、干旱、洪水）直接影响能源设施（如水电厂、核电站冷却系统、火电厂取水口）的运行安全和效率。水资源短缺或水污染也会制约能源生产活动。*环境影响的关键环节：能源开发利用活动（如化石燃料开采、发电、工业生产）可能干扰区域水循环，导致水资源紧张、水体污染、地下水超采、湿地区域退化等问题。反过来，水循环的变化（如气候变化导致的水资源分布失衡）也会影响能源需求（如农业灌溉、居民用水）和能源设施选址。*解析思路：从能量角度，说明水循环的动力作用和能量转换过程。从资源角度，指出水循环对水能等可再生能源的重要性。从应用角度，说明水循环状况对能源设施运行的影响。从环境角度，阐述能源活动与水循环的相互作用和相互影响，强调其双向联系。三、论述题1.从地球系统科学的角度，论述人类追求能源利用效率提升的必要性和可行性，并分析其在全球能源转型中可能扮演的角色。*答案：*必要性：从地球系统科学角度看，提升能源利用效率具有极端必要性。首先，地球系统的承载能力（如大气容量、水体自净能力、生态承载力）是有限的。人类高效率的能源利用是导致全球气候变化（温室气体排放）、环境污染（空气、水、土壤污染）和资源枯竭（化石能源、水资源）等问题的关键驱动因素之一。提升效率意味着在满足同等或更高需求的前提下，减少对地球系统的压力和扰动，是实现能源可持续利用和环境友好的基础。其次，提高效率有助于缓解能源供需矛盾，保障能源安全，降低能源成本，提升经济竞争力。*可行性：提升能源利用效率在技术、经济和政策层面都具备可行性。技术上，热力学定律为效率提升提供了理论指导，各项节能技术（如节能家电、高效电机、智能电网、建筑节能、工业流程优化等）已日臻成熟并不断进步。经济上，节能措施往往具有较短的回收期和显著的投资回报率，能源效率提升本身就是一种经济增长点。政策上，通过制定能效标准、实施能源审计、提供财政激励、推广绿色金融等多种手段，可以有效推动节能潜力的释放。*在能源转型中的角色：能源利用效率提升是全球能源转型不可或缺的组成部分，扮演着关键角色。首先，它是实现“减碳”与“保供”双重目标的有效途径，即在降低碳排放的同时，维持能源系统的稳定运行。其次，效率提升可以降低对新增能源供应（尤其是大规模可再生能源）的依赖，为能源结构快速转型创造时间和空间。再次，它是发展低碳技术的催化剂，推动产业升级和技术创新。最后，作为成本相对较低、实施最快的减排措施（所谓的“第一燃料”），效率提升是实现《巴黎协定》等国际气候目标的重要支撑。*解析思路：结构上采用“必要性-可行性-角色”的逻辑框架。在“必要性”部分，紧扣地球系统科学理念，强调效率与地球承载力、环境问题、资源消耗的内在联系。在“可行性”部分，从技术、经济、政策三个维度论证其现实可行性。在“角色”部分，阐述效率在能源转型中的战略地位，从减碳保供、支撑转型、技术驱动、目标实现等多个方面分析其作用。2.选择你熟悉的某一种具体能源（例如化石能源、太阳能、水能、生物质能、地热能、核能等中的任意一种），结合其开发利用过程，详细分析其对地球系统（至少涉及大气圈、水圈、岩石圈、生物圈中的两个以上圈层）可能产生的正面和负面影响，并提出相应的缓解或改善措施。*答案：（以太阳能为例进行论述，考生可选择其他能源并遵循类似结构）*太阳能开发利用过程：主要指太阳能光伏发电和太阳能光热利用。前者通过光伏板将太阳辐射转化为电能；后者通过集热器将太阳能转化为热能，用于供暖、热水或发电（太阳能热发电）。开发利用过程涉及太阳能电池板/集热器制造、运输安装、电站建设、电力/热能传输以及系统维护和最终处置。*对地球系统的影响：*正面影响：*大气圈：太阳能是清洁能源，其开发利用过程几乎不排放温室气体和大气污染物（如二氧化硫、氮氧化物），有助于改善空气质量，减缓全球气候变化。*生物圈：太阳能利用不消耗地球上的生物质资源，对生物多样性影响相对较小（尤其与化石能源开采相比）。大规模太阳能电站建设可能占用土地，对局部区域生态系统产生一定扰动，但可通过科学选址和生态补偿措施加以缓解。*负面影响：*大气圈：太阳能电池板/集热器制造过程需要消耗能源和原材料，可能涉及一些大气污染排放。光伏组件中的重金属（如镉、铅、砷）和稀有金属（如硅、锗）若处置不当，可能进入大气环境造成污染。*水圈：光伏板清洗需要消耗大量水资源，尤其在干旱半干旱地区可能加剧水资源紧张。太阳能热发电（CSP）需要大量水进行冷却，对河流或地下水造成压力。电站建设可能改变地表径流模式。*岩石圈：太阳能电站（特别是大型地面电站）需要占用土地面积，可能涉及土地征用、地表植被破坏、土壤压实、土壤侵蚀等问题。矿产开采（用于制造电池板/集热器）对岩石圈造成破坏。*生物圈：如前所述，土地占用可能破坏原有植被和habitats，影响野生动物迁徙或觅食。电网建设可能割裂栖息地。制造过程中的化学物质可能污染土壤和水源，影响植物生长和微生物活动。*缓解或改善措施：*技术研发：提高太阳能电池转换效率，降低材料消耗和成本。研发使用更环保、更长寿命的材料，减少重金属和稀有金属使用。开发非水基清洗技术或节水型冷却技术。*选址与规划：科学评估环境承载力，优先选择废弃矿区、盐碱地、荒漠等边际土地建设电站，最大限度减少对优质耕地和生态敏感区的占用。进行详细的环境影响评价，制定严格的生态保护措施。*循环经济：建立完善的废旧光伏板/集热器回收利用体系，实现材料回收和资源再生，防止环境污染。推广“光伏+”模式（如农光互补、渔光互补），实现土地的复合利用。*政策与管理：制定严格的环保标准和生产规范。通过政策激励，鼓励研发和应用环保技术。加强环境监测和监管，确保太阳能开发利用活动符合环保要求。*解析思路：第一部分清晰描述所选能源的开发利用过程。第二部分是核心，需要围绕大气、水、岩石、生物（至少两个圈层）展开，详细列举正面和负面环境影响。正面影响侧重于其清洁性、资源可再生性等优势。负面影响需具体到开发利用的各个环节可能对相应圈层造成的直接或间接影响（如污染、资源消耗、生态破坏等）。第三部分针对识别出的负面影响，提出具有针对性和可行性的缓解或改善措施，体现解决问题的思路。3.分析当前全球能源格局面临的主要问题，并探讨地球系统科学视角下的未来能源解决方案可能包含哪些关键要素和方向。*答案：*当前全球能源格局面临的主要问题：*高度依赖化石能源：全球能源结构仍以煤炭、石油、天然气为主，导致严重的环境污染和温室气体排放，是气候变化、空气污染等环境问题的主要根源。*能源不平等与分配不公：不同国家、地区和人群在能源可及性、可负担性和能源服务获取方面存在巨大差距，能源贫困问题依然严峻。*能源安全风险：化石能源资源分布不均，运输依赖性强，地缘政治冲突、经济波动等因素易引发能源供应中断和价格剧烈波动，威胁国家能源安全。*基础设施老化与转型滞后：现有以化石能源为基础的能源基础设施（如燃煤电厂、传统能源网络）规模庞大且效率不高，更新改造和向清洁低碳系统转型面临巨大挑战。*气候变化与生态破坏的加剧：不可持续的能源利用模式加剧了全球气候变化，对地球各圈层系统造成深刻影响，并引发一系列生态破坏和自然灾害。*资源消耗与土地占用压力：新能源技术（如太阳能、风能、核能）的部署需要消耗大量材料（特别是稀土元素）和土地资源，如何平衡能源转型与资源环境承载力是重要议题。*地球系统科学视角下的未来能源解决方案关键要素和方向：*系统思维与综合集成：将能源系统置于整个地球系统框架内进行考量，理解能源利用与大气、水、岩石、生物等圈层相互作用的复杂关系，强调不同能源类型、技术、管理措施之间的协同与整合。*可再生能源主导与多元化发展：大力发展风能、太阳能、水能、地热能、生物质能等可再生能源，构建以可再生能源为主体的多元化、分布式的能源供应体系。同时，因地制宜利用其他清