2025年大学《行星科学》专业题库- 行星科学中的地磁场研究

2025年大学《行星科学》专业题库——行星科学中的地磁场研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.在地磁场的球谐展开中，代表地磁场总强度的参数是？A.gnmB.hnmC.SnmD.Dnm2.根据地磁发电机理论，行星内部产生磁场的关键条件之一是存在？A.旋转运动B.导电性物质C.高温高压环境D.以上都是3.地球古地磁学研究中，“极性倒转事件”指的是？A.地磁场强度突然增强B.地磁极在地理上的位置发生剧烈移动C.地球内部液态核停止旋转D.地磁场方向发生反转，北极变为南极，南极变为北极4.与木星强磁场主要来源于其快速自转和丰富的液态金属氢内部运动相比，地球磁场的产生机制更侧重于？A.核幔边界对流B.磁流体动力学不稳定性C.稳定的液态外核对流D.岩石圈板块运动5.在行星科学中，通过分析地磁极移曲线可以推断？A.行星的自转速率变化B.行星内部导电层的大小和深度C.行星表面的古地理分布D.行星的大气成分二、填空题（每空2分，共20分）6.地磁场的强度通常用__________来衡量，其单位是__________。7.地磁倾角是指地磁场矢量与__________之间的夹角。8.解释天王星和海王星异常弱磁场的主要假说之一是它们的核心可能已经__________。9.地磁场的球谐分析中，参数Snm主要反映磁场的__________特征，而参数Dnm主要反映磁场的__________特征。10.古地磁学研究中，将不同地点记录的古地磁方向进行统计平均，得到该时期的地磁极位置，这个点被称为__________。三、简答题（每题5分，共15分）11.简述地磁发电机理论的基本思想及其对行星磁场起源的解释。12.解释什么是地磁剩磁，并简述热剩余磁化和化学剩余磁化的形成条件。13.为什么说木星和土星磁场的强度远超地球，这对它们的内部结构提出了什么要求？四、计算题（共15分）14.假设某行星的地磁场可以用球谐级数展开的第一项来近似描述，其位阶为n=1,m=1，地磁异常强度（相对于行星中心）为ΔB=5×10^-5T。计算该行星在赤道和极地附近（距离中心单位距离处）的地磁偏角影响（用弧度表示）。假设该行星半径为R=6000km。五、论述题（共30分）15.比较地球和木星地磁场的来源、强度、形态和演化特征，并分析造成这些差异的主要原因。试卷答案1.C2.D3.D4.C5.B6.磁感应强度；特斯拉（T）7.地球自转轴（或径向）8.固化（冻结）9.球面；径向10.赤道平均极11.解析：地磁发电机理论认为，在具有适当温度、压力和导电性的流体（如液态铁镍合金）中，如果存在运动（如对流和旋转），导电介质中的载流子（电子和离子）在洛伦兹力作用下会发生漂移，从而产生电流。这些电流产生的磁场会进一步影响流体运动，形成正反馈循环，最终形成强大的地磁场。该理论解释了行星（如地球、木星、土星）磁场的来源及其强度与行星内部状态（如自转速率、核心大小、导电层性质）的关联。12.解析：地磁剩磁是指岩石或矿物在形成过程中或之后，因受到地磁场作用而保存下来的磁化强度。热剩余磁化是指含有铁磁性矿物的岩石在形成时，如果冷却速率足够快，使其磁性矿物来不及失磁，从而保留下的剩磁。化学剩余磁化是指岩石在沉积或变质过程中，由于化学作用导致新的铁磁性矿物形成，并沿当时的地磁场方向磁化而保存下来的剩磁。它们都是地磁场作用的“历史记录”。13.解析：木星和土星拥有比地球强得多（约分别强25倍和60倍）的地磁场，这表明它们的内部（特别是液态金属核心）具有极高的导电性和更强的对流活动。根据地磁发电机理论，更强的磁场需要更快的自转、更大/更深的核心、更丰富的导电物质或更剧烈的对流来维持。这要求它们的内部结构，特别是液态核心的规模和状态，远超地球。14.解析：地磁场的球谐位系数C₁¹与地磁偏角B₁¹有关，其关系为：tan(B₁¹)=C₁¹/D₁¹。对于n=1,m=1项，通常假设D₁¹（径向分量系数）在赤道和极地附近近似为零或可忽略其变化对偏角计算的影响，或者题目意在考察偏角随纬度的变化趋势而非精确值。在赤道（纬度φ=0），tan(B₁¹)≈C₁¹/0，偏角理论上趋于π/2（90度）。在极地（纬度φ=π/2），tan(B₁¹)≈C₁¹/D₁¹。但题目要求计算“影响”，通常是指该项对总磁场方向的作用。C₁¹代表沿经线方向的分量。ΔB=5×10⁻⁵T是异常强度。影响的大小与C₁¹成正比。计算C₁¹：B₁¹=(g₁¹*R/GM)*(1/r²)≈ΔB。g₁¹≈ΔB*(GM/R³)。C₁¹=g₁¹/sqrt(g₁¹²+h₁¹²)。若忽略h₁¹，C₁¹≈g₁¹。所以C₁¹≈ΔB*(GM/R³)。代入数值：C₁¹≈(5×10⁻⁵T)*[(6.67430×10⁻¹¹N·m²/kg²)*(1.898×10²⁷kg)/(6.371×10⁶m)³]≈1.47×10⁻⁷T。赤道处该项引起的偏角影响正比于tan⁻¹(C₁¹)≈C₁¹弧度，约1.47×10⁻⁷弧度。极地处该项引起的偏角影响正比于tan⁻¹(C₁¹/D₁¹)，若D₁¹不为零但较小，影响依然存在但小于赤道。15.解析：地球磁场：由液态外核中的地磁发电机产生，强度中等（约25μT），形态接近偶极场，但有明显的非偶极项和随时间变化的部分（如耀斑事件）。磁场演化与地球内部对流、核心演化相关，古地磁记录揭示了地球自转轴的漂移和极性倒转。木星磁场：由快速自转（约10小时）和富含液态金属氢的深部核幔边界处强大的地磁发电机产生，强度极强（约420μT），形态为复杂的偶极场，包含显著的quadrupole（四极）和octupole（八极）成分，表明其内部导电层深度和结构复杂。磁场演化与自转和内部动态密切相关。土星磁场：类似木星，由快速自转（约10.7小时）和液态金属氢核心产生，强度也很强（约580μT），形态也呈复杂的偶极为主的多极场。其磁偶极矩方向与其自转轴有显著的倾斜（约26度），且存在“极光槽”结构，与木星磁场相比，其非偶极成分比例更高，核心大小可能