2025年大学《行星科学》专业题库- 温室气体在行星大气中的作用研究

2025年大学《行星科学》专业题库——温室气体在行星大气中的作用研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述温室效应的基本原理。说明大气中的能量主要来源于何处，以及能量在大气层中主要的吸收、散射和辐射过程。二、列举四种你在《行星科学》课程中学到的主要温室气体，并简要说明其中任意两种温室气体的主要来源（自然或人为）及其在大气中的主要吸收特征（例如，吸收的主要光谱区域）。三、比较地球与金星的温室效应。解释造成两者温室效应强度存在巨大差异的主要原因，并分析这种差异如何导致了它们当前截然不同的表面温度和大气环境。四、火星目前表面温度普遍较低，且大气主要成分是二氧化碳。讨论火星历史上可能存在的更强温室效应以及导致其温室效应减弱的潜在原因。你认为在火星上寻找过去或现在生命迹象时，大气中的温室气体成分是一个重要的考虑因素吗？请说明理由。五、简述科学家通常采用哪些方法来探测和研究其他行星（如系外行星或太阳系内行星）大气中的温室气体成分。举例说明其中一种方法的基本原理。六、全球气候变化是当前人类社会面临的重要挑战，其主要驱动因素之一是人为增加的大气温室气体浓度。从行星科学的角度，讨论人类活动影响地球温室效应的机制，并思考这种影响与其他行星历史上的温室状态变化有何异同。七、论述温室气体的存在对于行星宜居性（HabitableZone）的意义。为什么仅仅位于所谓的“宜居带”内并不足以保证一个行星拥有适宜生命存在的表面环境和大气条件？试卷答案一、温室效应是指大气层中的某些气体（温室气体）吸收并重新辐射地球表面向外散发的红外辐射（热量），从而导致行星表面温度升高的现象。其基本原理如下：1.能量来源：行星接收来自太阳的短波辐射（主要是可见光和部分紫外线）。2.地表吸收与升温：行星表面（陆地、海洋）吸收大部分太阳短波辐射后升温。3.红外辐射发射：温热的表面向外发射长波红外辐射（热量）。4.大气吸收：大气中的温室气体（如CO2,H2O,CH4等）选择性地吸收这些红外辐射，导致大气自身升温。5.向下辐射：吸收了热量的温室气体分子会向各个方向（包括向下的地表）重新辐射红外能量。6.能量平衡与温度升高：向下辐射的热量补充了地表散失的部分热量，使得地表能量收支趋向平衡，但平均温度高于同等条件下无大气或大气透明度极低的情况。二、四种主要温室气体：二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）。选择二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）：*CO2：主要自然来源包括火山喷发、有机物分解、生物呼吸作用；人为来源主要是燃烧化石燃料和工业过程。CO2在大气中主要吸收中红外波段（如4.3微米和15微米附近）的辐射。*CH4：主要自然来源包括湿地、甲烷水合物分解；人为来源主要是农业活动（如稻田种植、反刍动物消化）、化石燃料开采和利用。CH4在大气中主要吸收近红外和远红外波段（如3.3微米和7.6微米附近）的辐射。三、地球与金星温室效应的主要差异及原因：*地球：温室效应适中，平均表面温度约15°C。大气成分以氮气（N2）为主（约78%），氧气（O2）为次（约21%），少量温室气体（CO2约占0.04%）有效吸收红外辐射，维持了适宜的温度。*金星：拥有极其强烈的温室效应，表面温度高达约460°C。其大气成分以二氧化碳（CO2）为主（约96%），浓度极高，形成了厚厚的云层，导致极强的温室效应，几乎所有太阳辐射都被大气层吸收或反射，地表接收到的能量极少。*主要原因：金星大气中极高的CO2浓度和厚重的大气层是造成其极端温室效应的核心原因。相比之下，地球大气虽然也含有CO2，但浓度较低，且主要的温室作用由水蒸气贡献，同时大气较为稀薄。这种差异导致了金星表面酷热、大气压力是地球的92倍，而地球表面则相对凉爽、湿润，拥有适宜生命存在的条件。四、火星温室效应减弱的可能原因：*大气流失：火星早期可能拥有更厚、更温暖的大气层，但强烈的太阳风剥离了其高层大气，导致大气总量锐减。*缺乏强温室气体源：与地球活跃的火山活动不同，火星目前火山活动微弱，难以持续补充大气中的温室气体（尤其是水蒸气，其易被紫外线分解）。*水资源的消失：早期火星可能存在大量液态水，水蒸气是重要的温室气体。随着水分蒸发、冻结或在地下存在，水蒸气浓度下降，削弱了温室效应。*轨道和倾角变化：火星轨道和自转轴倾角的长期变化可能影响了其气候和大气成分的稳定性，但不足以完全逆转温室效应。温室气体成分是行星宜居性的关键参数之一。因为它直接影响行星表面温度，而适宜的温度是维持液态水存在的必要条件之一，液态水被认为是生命存在的关键基础。因此，研究火星大气中的温室气体（特别是过去和现在的变化）对于评估火星的宜居历史和潜力至关重要。五、探测和研究其他行星大气中温室气体的方法：*遥感光谱分析：通过分析从行星表面或大气层反射/透射到太空的太阳光的光谱特征，寻找特定温室气体吸收特征谱线的“指纹”。例如，使用望远镜或空间探测器搭载的光谱仪测量行星的红外或可见光光谱，如果光谱中出现了与已知温室气体吸收峰对应的位置，则表明该气体存在于大气中。这是目前研究系外行星和太阳系内行星大气成分最常用的方法。*原理简述（以遥感为例）：当太阳光穿过行星大气时，大气中的气体分子会根据其振动和转动能级跃迁的需要，选择性地吸收特定波长的光。每种气体都有其独特的吸收光谱“指纹”。通过精确测量行星反射或透射光的光强随波长的变化，并与不含大气的背景光谱或大气模型进行比较，可以识别出哪些气体以及它们的相对丰度。六、人类活动影响地球温室效应的机制及其与行星历史的异同：*机制：人类活动，特别是近几个世纪的工业化进程，通过大规模燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）、毁林（减少了大气中CO2的吸收者）、工业生产过程等，向大气中大量排放二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体。这些增加的温室气体增强了地球大气的红外吸收能力，导致更多的热量被困在地表和低层大气中，引起全球变暖。*异同：*相似性：无论是地球历史上的自然因素（如火山活动导致CO2浓度升高引起温室效应增强，或冰川期大量吸收CO2导致浓度降低）还是当前的人为因素，本质上都是通过改变大气中温室气体的浓度，进而影响地球的能量平衡和表面温度。*差异性：地球历史上温室气体的变化通常是一个缓慢的、自然的地质或生物地球化学过程，时间尺度以千年到百万年计。而当前由人类活动引起的温室气体浓度增加则是一个极其迅速的过程，仅在过去几十年内浓度就达到了工业革命前的数倍，其速度和幅度在地质记录中可能是前所未有的。这种快速变化带来了更显著和更紧迫的气候影响。七、温室气体对于行星宜居性的意义及宜居带局限性的讨论：*意义：温室效应对于将行星表面温度维持在允许液态水存在的范围内至关重要。液态水被认为是生命存在的关键前提。没有适量的温室气体，行星表面温度会过低，水会冻结；如果温室气体过多或缺乏有效调节，温度会过高，水会蒸发殆尽。因此，存在一个“温室效应调节”的关键范围，使得行星表面温度能够维持在一个生命可能存在的区间内，这比仅仅基于接收太阳辐射多少的“传统宜居带”要复杂。*宜居带局限性：“宜居带”（HabitableZone,HZ）通常是指行星轨道上接收到足够太阳辐射以允许表面存在稳定液态水的区域。然而，仅仅位于宜居带内并不足以保证行星拥有适宜生命存在的环境，因为：*缺乏温室效应：如果行星大气稀薄或缺乏有效的温室气体，即使接收到的太阳辐射适中，表面温度也可能过低，无法维持液态水。*强烈的温室效应：如金星所示，过强的温室效应会导致表面温度过高，同样不适宜生命。*大气成分与保护：仅仅有液态水还不够，还需要有适