2025年大学《行星科学》专业题库- 行星地质热演化对大气结构演变影响

2025年大学《行星科学》专业题库——行星地质热演化对大气结构演变影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分）1.行星早期地质热演化最主要的能量来源是：A.撞击产生的动能转化B.行星自转产生的动能C.来自恒星的辐射能D.行星内部放射性元素衰变释放的热能2.下列哪种过程不利于行星内部热量的传导和散发？A.全球风化作用B.板块构造运动C.弧形火山活动D.慢速的放射性元素衰变3.导致类地行星早期大气大规模丢失的主要原因是：A.恒星风的光压剥离B.行星内部温度过高导致气体分子动能不足C.行星缺乏全球性磁场保护D.大型撞击事件引发的剧烈大气逃逸4.地球现代大气中二氧化碳含量远低于早期，最主要的原因是：A.太阳辐射增强导致二氧化碳分解B.大气中的二氧化碳被深海吸收并沉积形成碳酸盐岩C.火山活动持续释放大量二氧化碳D.微生物活动消耗了大部分二氧化碳5.与地球相比，火星大气稀薄且以二氧化碳为主的主要原因是：A.火星与太阳的距离更近，接收的太阳辐射更强B.火星的质量和重力较小，难以удерживать大气C.火星缺乏全球性磁场，大气易被太阳风剥离D.火星早期火山活动较弱，未能形成厚大气层6.行星大气的温室效应主要依赖于：A.大气中的氮气和氧气分子吸收所有红外辐射B.阳光直射大气层底部C.大气中的某些气体成分（如二氧化碳、水汽）吸收并重新辐射红外线D.大气环流将热量从赤道输送到两极7.恒星风对行星大气的主要影响不包括：A.摘取高层大气分子形成行星风层B.通过光压直接压缩整个大气层C.在行星磁层与大气之间建立能量传递D.引起行星表面喷发物的电离和剥离8.下列哪种地质过程可能显著增加行星大气的氮气含量？A.撞击事件带来的原始大气成分注入B.火山活动释放甲烷等还原性气体C.原始大气中的氨通过光解产生氮气D.水圈与岩石圈相互作用导致大气氮气被吸收9.行星冷却速度与其半径的关系通常是：A.半径越大，冷却越快B.半径越小，冷却越快C.与半径无关，主要取决于初始质量D.半径越大，冷却越慢（因表面积与体积比减小）10.板块构造活跃的行星通常表现出：A.稳定的大气成分和气候B.频繁的全球性火山喷发和大规模气体释放C.贫氧且富甲烷的大气D.极少的水汽含量和极地冰盖二、简答题（每小题5分，共25分）1.简述行星放射性元素衰变热对行星早期熔融和分异过程的影响。2.解释全球风化作用如何影响行星大气中二氧化碳的长期平衡。3.描述行星磁场如何保护其大气层免受太阳风剥离。4.比较火星和金星当前大气状态的主要差异及其可能形成的地质热演化原因。5.简述“温室runaway”和“runawaygreenhouse”在行星大气演化中的区别。三、论述题（每小题10分，共30分）1.详细论述行星的冷却过程（包括内部热源、热量传递机制和最终地表温度）如何决定其早期大气成分的演化和丢失潜力。2.结合具体行星实例（可选地球、火星、金星、木星中的任一个或多个），论述地质活动（如火山爆发、板块构造、撞击事件）对大气结构（成分、压力、温度分布）的短期和长期影响。3.探讨地质热演化历史（如放射性元素丰度变化、内部结构演化）与行星宜居性（特别是大气宜居性）之间的内在联系，并举例说明。四、计算题（共15分）假设一个半径为5000km、质量为月球质量的类地行星，其内部主要的热源来自初始放射性元素（半衰期1亿年，释放热量效率为10%）。假设该行星没有板块构造，热量主要通过表面辐射散失。请简述计算该行星表面温度需要考虑哪些关键因素，并说明地质热演化如何影响这个计算结果（无需进行具体数值计算）。试卷答案一、选择题1.D2.D3.C4.B5.B6.C7.B8.D9.B10.B二、简答题1.解析思路：放射性元素衰变释放大量热能，使行星内部（特别是地幔）达到极高温度，导致行星部分熔融。熔融使得物质根据密度发生分异，较重的元素（如铁、镍）下沉形成地核，较轻的硅酸盐物质上浮形成地幔和地壳。这个过程为早期火山活动提供了物质来源和能量，并影响了行星的早期大气组成（如火山喷发释放气体）和结构。2.解析思路：全球风化作用（包括化学风化、物理风化等）将大气中的主要温室气体二氧化碳转化为碳酸盐等固体形式，并沉积到地表或深海。这个过程有效地降低了大气中二氧化碳的分压，削弱了温室效应，从而降低了行星表面的平均温度。长期的全球风化作用是地球大气二氧化碳含量远低于早期的重要原因，它构成了一个负反馈机制，帮助稳定行星气候。3.解析思路：行星磁场（特别是像地球这样的全球性偶极磁场）能在行星与太阳风之间形成一个保护层。高能带电粒子流（太阳风）会被磁力线偏转，绕过行星表面，从而减少对高层大气分子的直接冲击和剥离。没有磁场的行星（如火星）其大气高层直接暴露于太阳风下，导致大气分子被电离、加速并逃逸到太空中。4.解析思路：火星当前大气稀薄（约地球的1%）、以二氧化碳为主（约95%）；金星大气极其浓厚（约地球的90-95倍）、主要成分是二氧化碳（约96%），表面温度极高。两者差异主要原因：火星质量较小，重力较低，难以удерживать住厚重的大气；火星缺乏全球性磁场，大气易被太阳风剥离；火星地质活动（特别是板块构造）长期不活跃，火山释放气体量少，且全球风化作用强，大气形成和补充机制不足。而金星质量较大，重力强；早期或历史上可能存在较强的全球性磁场；地质活动活跃，火山释放了巨量二氧化碳，但缺乏有效的二氧化碳清除机制（如强风化），导致大气不断累积并形成“温室runaway”。5.解析思路：“温室runaway”是指行星大气对温室气体的反馈作用失控，导致温度急剧升高，即使太阳辐射或温室气体浓度不再增加，温度也会持续上升，直至大气成分发生根本性改变（如水蒸气含量极高）。典型的例子是金星。“Runawaygreenhouse”通常指导致“温室runaway”启动的初始阶段或过程，即当行星表面温度升高到一定程度（如水的沸点），导致大量液态水蒸发进入大气，进一步加剧温室效应，从而引发不可逆转的快速升温过程。两者关系是，“runawaygreenhouse”是触发“温室runaway”的条件或过程，而“温室runaway”是最终的失控状态。三、论述题1.解析思路：首先阐述行星冷却的机制：放射性元素衰变提供初始热量，热量通过传导、对流（内部）和辐射（外部）从内部传递到表面散失到空间。冷却速度与行星半径（体积）、初始质量、放射性元素丰度、表面与空间的辐射平衡有关。早期高温导致大气分子平均动能高，碰撞频繁，容易逃逸（Jeans逃逸）；随着行星冷却，表面温度降低，内部活动减弱（如火山减少），大气逃逸潜力降低。同时，冷却过程也改变了地表化学环境，影响大气成分的来源（如原始大气丢失、次生大气形成，如火山释放）和演化（如CO2被风化吸收）。因此，地质热演化历史直接决定了行星大气的初始状态、演化和最终是否能够稳定存在。2.解析思路：选择一个或多个行星实例进行阐述。例如，地球：板块构造导致持续的火山活动释放CO2，维持温室效应；同时，通过全球风化作用吸收CO2，形成碳循环，稳定气候。大型撞击事件（如早期小行星撞击）可能导致大气成分瞬时剧变和部分丢失，但地球的质量和磁场使其能逐渐恢复。火星：早期地质活动活跃，火山释放大量气体形成厚大气，但缺乏全球磁场和有效的碳循环机制，大气被太阳风剥离，导致大气变薄。金星：强烈的板块构造和火山活动释放巨量CO2，但缺乏有效的CO2清除，导致强烈的温室效应和浓厚大气。木星：内部热量主要来自快速自转导致的离心力（快自转模型），驱动强对流，通过大红斑等现象体现，其厚大气主要由行星形成时的吸积物质构成，并受到强烈的辐射压和磁场影响。论述中需强调地质活动（热状态、气体释放、表面过程）与大气成分、压力、温度、环流之间的动态相互作用。3.解析思路：地质热演化决定了行星的初始状态和长期演化潜力。例如，行星能否形成足够大的质量以удерживать大气（与形成和冷却过程有关）；内部热状态是否允许持续的火山活动释放必要的大气成分（如CO2）；是否存在全球性磁场来保护大气（与内部液态金属核心的形成和动力学有关）；表面化学过程（如水圈、风化作用）是否能够调节大气成分，维持宜居温度（与冷却和板块构造有关）。以火星为例，其地质冷却快、质量小、无磁场，导致大气丢失，不再宜居。以地球为例，其地质活动活跃，维持大气成分和气候稳定，具备宜居条件。以金星为例，其地质活动强但缺乏碳循环，导致温室效应失控，表面极端不适宜。因此，地质热演化历史是判断行星宜居性的关键基础。四、计算题解析思路：计算行星表面温度需要考虑以下关键因素：1.内部热输入：主要由放射性元素衰变提供，需要知道放射性元素的种类、丰度、半衰期以及热释放效率。2.热量传递机制：内部热量如何到达表面，包括内部传导、对流（如地幔对流）和向外部空间的辐射散失。行星的半径、内部结构（如地核、地幔状态）、旋转速度等会影响传递效率。3.外部能量输入：来自恒星的辐射功率，与行星与恒星的距离有关。4.外部能量输出（辐射散失）：行星表面和大气吸收恒星能量后，以红外辐射形式向空间散失的热量。这取决于行星的表面温度（T）、半径（R）、发射率（ε）以及斯蒂芬-玻尔兹曼常数（σ）。行星的吸收率（Albedo）也影响到达地表的有效能量。5.大气状态：大气的存在会通过温室效应影响地表温度。大气成分、密度、高度分布等都会改变地表接收的净辐射和自身的辐射特性。地质热演化如何影响计算结果：1.初始条件和演化路径：行星的初始质量、半径和放射性元素丰度决定了其初始热输入和冷却速率，进而影响早期表面温度和大气形成条件。2.内部结构变化：随着冷却，行星内部结构可能发生改变（如地核凝固、地幔密度变化），影响热传导和对流