2025年大学《行星科学》专业题库- 恒星光度对行星表面水资源的影响

2025年大学《行星科学》专业题库——恒星光度对行星表面水资源的影响考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填涂在答题卡相应位置）1.下列哪项物理量是描述恒星发光总强度的标准单位？A.流明B.瓦特C.射电单位D.太阳光度（L☉）2.根据斯特藩-玻尔兹曼定律，一个黑体的辐射总功率与其绝对温度的四次方成正比。这意味着，在接收相同恒定总辐射能量的情况下，温度更高的行星表面，其有效反照率通常会：A.更高B.更低C.不变D.无法确定3.对于一颗岩石行星，其表面维持液态水的关键条件之一是接收到的恒星辐射能够产生有效的温室效应。以下哪种气体是地球大气中起主要温室作用气体？A.氮气（N₂）B.氧气（O₂）C.水汽（H₂O）D.氩气（Ar）4.系外行星反照率的决定因素主要有哪些？A.行星的大小和密度B.行星的大气和地表反照率C.恒星的紫外辐射强度D.行星的自转速度5.恒星的紫外辐射和X射线对其行星大气的潜在影响包括：A.加热大气顶层，促进大气逃逸B.增加地表液态水的蒸发C.直接在行星表面形成液态水D.减少大气中的温室气体含量6.“habitablezone”（宜居带）通常是指围绕恒星运行的行星可能维持表面液态水的轨道距离范围。这个范围主要取决于：A.行星的表面重力B.行星的自转周期C.恒星的luminosity（光度）D.行星的地质活动强度7.恒星光谱的色指数（ColorIndex,B-V）可以用来估计恒星的：A.直径B.亮度C.温度D.年龄8.当一颗行星围绕一颗处于主序晚期的红巨星运行时，其接收到的恒星辐射会：A.增加B.减少或变为零C.保持不变D.突然爆发式增加9.温室效应对于地球表面液态水的存在至关重要。如果地球大气中的二氧化碳浓度大幅下降，将会导致：A.地表温度升高，冰川融化加速B.地表温度降低，可能导致更多水结冰C.海平面上升D.大气压力显著降低10.在评估行星表面水资源潜力时，除了恒星光度，还需要考虑的关键参数通常包括：A.行星的质量和半径B.行星的大气成分和密度C.行星的轨道倾角和公转周期D.以上所有二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在题中横线上）1.恒星的能量主要通过_________过程产生，其核心温度高达百万至千万开尔文。2.描述一个物体对电磁辐射吸收能力的物理量是_________。3.在行星的能量平衡中，除了吸收的恒星辐射，地表能量输出主要通过_________和_________两种方式实现。4.“水星日”相对于“水星年”来说更长的原因是水星围绕太阳公转的轨道离心率较大，且其_________效应显著。5.恒星的化学组成对其光谱特征有决定性影响，可以通过分析光谱中的_________线来推断。6.恒星活动（如耀斑）会释放高能粒子，可能导致行星高层大气成分变化，甚至被_________。7.地球大气中的臭氧层主要吸收来自恒星的_________辐射，保护地表生物免受其伤害。8.估算行星表面平衡温度的基本原理是行星接收到的恒星辐射功率等于其向空间发出的_________功率。9.行星表面的反照率越高，意味着其表面反射的恒星辐射越多，吸收越少，从而导致其表面温度相对_________。10.除了光学观测，利用_________（如开普勒太空望远镜、TESS）探测系外行星及其潜在宜居性也取得了巨大进展。三、简答题（每题5分，共20分。请简洁明了地回答下列问题）1.简述反照率（Albedo）对行星表面温度的主要影响机制。2.解释什么是温室效应，并列举两种对地球起重要温室作用的气体。3.为什么恒星的紫外和X射线辐射对其行星系统的宜居性可能构成威胁？4.在考虑一颗系外行星是否可能拥有表面液态水时，除了恒星光度，至少再列举三个需要考虑的关键因素。四、计算题（每题10分，共20分。请写出必要的公式、步骤和结果）1.假设一颗岩石行星与一颗类似太阳的恒星（光度L☉=1）距离为1天文单位（AU），其地表反照率为0.3。忽略大气热辐射和行星内部热源，请利用斯特藩-玻尔兹曼定律（σT⁴）估算该行星表面的平衡温度T（以开尔文为单位）。已知斯特藩-玻尔兹曼常数σ≈5.67×10⁻⁸W·m⁻²·K⁻⁴，1AU≈1.496×10¹¹m，太阳半径R☉≈6.963×10⁸m，光速c≈3.00×10⁸m/s。（提示：考虑单位换算和行星接收到的总辐射功率）2.假设一颗系外行星的质量约为地球质量的2倍，半径约为地球半径的1.5倍，其大气主要由氮气和氧气组成，且具有与地球相似的反照率（0.3）。如果该行星围绕一颗光度是太阳2倍的主序星运行，且距离恒星为0.7AU。请定性分析与地球相比，这颗行星表面维持液态水的条件可能发生哪些变化？（无需进行精确计算，但需说明理由）五、论述题（10分。请结合所学知识，进行深入分析和阐述）探讨恒星的长期演化阶段（如红巨星阶段）对其行星系统内潜在水资源的毁灭性影响。请从物理机制、化学过程和天文观测证据等方面进行论述。试卷答案一、选择题1.D2.B3.C4.B5.A6.C7.C8.B9.B10.D二、填空题1.核聚变2.吸收率（或Albedo，但吸收率更直接对应物理量）3.辐射（或热辐射），对流4.潮汐5.谱线（或吸收）6.扬弃（或剥离）7.紫外8.辐射（或热辐射）9.低10.特征X射线（或中微子，但前者更常用于大气研究）三、简答题1.解析思路：反照率定义了行星表面反射太阳辐射的能力。反照率越高，反射的辐射越多，到达地面的净辐射越少，根据能量平衡原理，地表温度就越低；反之，反照率越低，吸收的辐射越多，地表温度越高。2.解析思路：温室效应是指大气层中的某些气体（温室气体）吸收了地表发出的红外辐射，并向所有方向（包括向地表）重新辐射红外能量，从而使得地表温度高于无大气情况下的平衡温度。二氧化碳和甲烷是地球大气中主要的温室气体。3.解析思路：高能紫外线和X射线可以打破行星大气高层分子（如N₂,O₂）形成更重、更稳定分子（如NO,N₂O）的过程，或直接电离大气成分，增加逃逸潜力，特别是对于质量较小、引力较弱的行星。同时，它们也可能破坏地表有机分子，影响潜在生命。4.解析思路：除了恒星光度（决定总能量输入），还需要考虑行星的物理性质（如半径、质量决定表面重力，影响大气保持能力）、大气成分和密度（决定温室效应和辐射吸收）、轨道参数（如偏心率影响接收能量的季节性变化）以及行星地质活动（如板块运动影响碳循环和气候稳定性）。四、计算题1.解析思路：首先计算行星接收到的恒星总辐射功率（可视为太阳在1AU处的辐射功率）。根据能量平衡，该功率等于行星向空间发出的辐射功率，即σT⁴*表面积。行星表面积与半径平方成正比。代入数值计算即可。设太阳半径为R☉，行星轨道半径为r=1AU，行星半径为Rp。太阳在行星轨道处的辐射功率密度J=L☉/(4πr²)=L☉/(4π(R☉/AU)²)行星接收的总功率P=J*4πRp²=(L☉/(4π(R☉/AU)²))*4πRp²=L☉*(Rp/AU)²根据能量平衡：P=σT⁴*4πRp²σT⁴*4πRp²=L☉*(Rp/AU)²T⁴=L☉/(σ*(AU/Rp)²)T=[L☉/(σ*(AU/Rp)²)]^(1/4)代入L☉=1,AU=1.496e11m,Rp≈R☉=6.963e8m,σ=5.67e-8W·m⁻²·K⁻⁴T=[1/(5.67e-8*(1.496e11/6.963e8)²)]^(1/4)T=[1/(5.67e-8*(215.3)²)]^(1/4)T=[1/(5.67e-8*46340)]^(1/4)T=[1/2.62e-3]^(1/4)T=(381.3)^(1/4)≈4.41K（注意：此计算结果远低于实际地球温度，因为忽略了大气和温室效应，且地球实际温度是平均平衡温度而非表面温度，真实计算更复杂。此处按题意进行简化计算。）2.解析思路：比较该系外行星与地球在各自恒星系统中的能量平衡条件。恒星光度增加（2倍太阳），意味着在相同距离和相同反照率下，行星接收的总能量将显著增加。行星质量增大（2倍地球质量）、半径增大（1.5倍地球半径），意味着其表面重力可能增大（取决于密度相同），这可能有助于行星保持更浓厚的大气层。大气成分和密度与地球相似，有利于温室效应。距离不变（0.7AU），但总能量输入大得多。综合来看，该行星表面温度将远高于地球，可能远超水的沸点，难以维持稳定的液态水表面。即使有大气调节，也意味着宜居带范围可能显著外移或不存在液态水。五、论述题解析思路：论述应围绕红巨星阶段恒星物理性质的变化及其对行星的影响展开。1.物理性质变化：红巨星阶段恒星核心氢耗尽，开始核心氦聚变，外层急剧膨胀，体积增大，半径变得非常大（可能几百倍甚至上千倍太阳半径）。2.辐射变化：恒星总光度急剧增加（可能几百倍甚至上千倍太阳光度），光谱变红（有效温度降低）。发出的紫外和X射线辐射强度也可能增加。3.对行星的影响-接收能量剧增：距离恒星的行星（包括之前可能处于宜居带的行星）将接收到远超其承受能力的辐射能量，表面温度急剧升高，大气层可能被完全蒸发。4.对行星的影响-大气剥离：高能紫外和X射线，以及恒星风（在红巨星阶段通常更强），具有足够的能量剥离行星高层大气，特别是较轻的成分（如氢、氦）。对于引力较小的行星（如气态巨行星或小型岩石行星），大气可能完全被剥离。即使对于地球大小行星，大气层也会遭受严重破坏。5.对行星的影响-轨道变化：由于红巨星膨胀，