2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 地球大气科学与太空气象

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——地球大气科学与太空气象考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题均有多个正确选项，请将正确选项的代表字母填写在答题纸上。多选、错选、漏选均不得分。）1.下列哪些现象或过程与大气垂直分层有关？A.大气温度的垂直变化B.不同大气波段的辐射传输特性C.高空大气环流的形成D.平流层臭氧层的存在E.地面天气系统的活动2.温室效应的主要物理机制是？A.大气对太阳短波辐射的吸收B.大气对地球红外辐射的吸收C.地球表面对太阳短波辐射的吸收D.大气对地球红外辐射的散射E.地球表面向外发射红外辐射3.构成地球大气的低层（对流层）的主要特征包括？A.温度随高度升高而增加B.集中了大气总质量的绝大部分C.出现天气现象，如云、雨、雪D.大气以水平运动为主E.存在明显的电离层4.全球大气环流的主要驱动因素包括？A.地球的自转B.地球表面受热不均C.大气的垂直运动D.大气层顶的辐射冷却E.海洋与陆地的热力差异5.下列哪些是太阳活动的主要表现形式？A.太阳黑子B.耀斑爆发C.日冕物质抛射（CME）D.极光现象E.地球上的雷暴活动6.电离层对无线电波传播的主要影响包括？A.折射B.反射C.吸收D.传播速度加快E.产生法拉第旋转7.地球空间环境中的“空间天气”主要指？A.地面大气环流异常B.电离层参数的剧烈波动C.地磁场强度的缓慢变化D.极区等离子体层的扰动E.太阳风参数的剧烈变化8.下列哪些因素可能导致卫星导航信号失准或中断？A.电离层闪烁B.极区亚暴引起的磁场剧变C.平流层风切变D.太阳耀斑产生的强烈辐射E.大气层顶的突然增温9.大气中的温室气体主要包括？A.氮气（N₂）B.氧气（O₂）C.二氧化碳（CO₂）D.水蒸气（H₂O）E.甲烷（CH₄）10.空间天气监测的主要目的是？A.预报地面天气变化B.确保空间资产的运行安全C.研究大气环流模式D.评估对无线电通信和导航的影响E.探索大气成分变化二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在答题纸上。）1.大气垂直方向上，温度随高度升高而递减的层称为________层，其中水汽含量最丰富的层是________层。2.连接副热带高压带与赤道低气压带的、呈波浪状延伸的带状区域，是________的主要源地。3.电离层是大气层的________层，其主要特征是其中存在大量的自由电子和离子。4.太阳活动周期约为________年，其剧烈程度可以用________指标来衡量。5.当太阳风高速冲击地球磁层时，可能引发________事件，导致地磁暴的发生。6.大气中的________和________是最主要的温室气体，它们对地球的保温作用至关重要。7.卫星遥感大气参数时，常利用大气中的________吸收或散射特定波段的电磁波信号。8.地球磁层是地球磁场控制的近似于球形的区域，其边界称为________。9.高频无线电波通信受到电离层________的影响较大，通常只能在特定的频率范围和昼夜时段内进行。10.研究地球大气与空间环境相互作用的交叉学科领域，常被称为________。三、简答题（每小题5分，共25分。请将答案填写在答题纸上。）1.简述大气对太阳辐射进行削弱的主要方式。2.简述气旋和反气旋在水平气流和天气特征上的主要区别。3.解释什么是电离层闪烁，并简述其产生原因。4.简述一次典型的太阳风暴事件对地球环境可能产生的主要影响。5.简述大气成分对空间环境（如电离层）可能产生的影响。四、计算题（每小题10分，共20分。请将答案填写在答题纸上，要求列出公式和计算步骤。）1.已知地面大气压强为1013hPa，温度为15°C。假设大气温度随高度变化的平均lapserate（温度递减率）为6.5K/km，试估算海拔3000米处的大气压强（假设大气为理想气体，并忽略水汽影响，可使用玻意耳-马略特定律的近似形式P₁/T₁=P₂/T₂，其中温度需转换为绝对温标K）。2.假设某频率为10MHz的无线电波在电离层F₁层（约300公里高度）发生反射。已知该频率的临界频率为5MHz。试计算该无线电波在电离层中的临界角（即入射角等于临界角时的入射角，用度表示）。提示：临界频率f_c=√(N_max/ε₀μ₀)，其中N_max为最大电子浓度，ε₀和μ₀为真空介电常数和磁导率，临界角满足sin(θ_c)=f_c/f。五、论述题（15分。请将答案填写在答题纸上。）结合大气与空间科学的知识，论述大气现象（例如大气密度、大气阻力、电离层不规则性、极区高层大气风场等）是如何影响或限制空间科学活动（例如卫星轨道、卫星姿态、空间探测、通信导航等）的，并举例说明。试卷答案一、选择题1.ABD2.BE3.ABC4.ABE5.ABC6.ABCE7.BDE8.ABD9.CDE10.BDE二、填空题1.对流层；对流层2.信风带3.高层4.11；太阳黑子5.磁层顶6.二氧化碳；水蒸气7.吸收线（或吸收带）8.磁层顶9.闪烁10.空间气象学（或空间天气学）三、简答题1.解析思路：大气对太阳辐射的削弱主要包括吸收、散射和反射三种方式。吸收是指大气中的某些成分（如水汽、二氧化碳、臭氧等）吸收特定波段的太阳辐射；散射是指大气粒子（气体分子、气溶胶等）使太阳辐射向不同方向分散，如瑞利散射（短波为主）和米氏散射（长波为主）；反射是指大气中的云层、尘埃等粗颗粒物将太阳辐射向反方向反射回太空。2.解析思路：气旋和反气旋的主要区别在于水平气流和天气特征。气旋是水平气流辐合上升的天气系统，中心气压低，常伴随着云、雨、风等天气现象，气旋过境天气通常恶劣。反气旋是水平气流辐散下沉的天气系统，中心气压高，空气干燥稳定，天气晴朗。3.解析思路：电离层闪烁是指电离层电子密度发生不规则波动，导致通过该区域的无线电波传播相位和振幅快速变化的现象。其产生原因主要是对流层底部湍流扰动引起电离层底部参数（电子密度）的随机起伏，进而影响上层电离层的折射。4.解析思路：太阳风暴事件是太阳活动剧烈释放能量的表现，主要包含高速太阳风和剧烈的太阳辐射。对地球的影响包括：引起强烈的地磁暴，导致电离层扰动（如骚扰、扩展顶边界层事件），产生极光活动，干扰或中断无线电通信和导航定位（如GPS信号失准），威胁在轨航天器（如卫星星上电子器件单粒子效应增加、轨道漂移）。5.解析思路：大气成分对空间环境的影响主要体现在对电离层结构和参数的影响。例如，大气中的中性气体（如O₂、N₂）通过光电离过程产生电离层；水汽电离产生平流层底部电离层（电离层D层）；二氧化碳、甲烷等温室气体也是重要的电离层源；大气成分的变化（如气候变化导致的臭氧层变化）会进而影响电离层特性。四、计算题1.解析思路：本题应用理想气体状态方程的近似形式P₁/T₁=P₂/T₂，并考虑温度随高度线性变化T(h)=T₀-Lh。设P₁=1013hPa,T₁=288K(15°C)，L=6.5K/km，h=3000m=3km。计算高度h处的温度T₂=T₀-Lh=288-6.5*3=265K。代入公式P₂=P₁*T₂/T₁=1013*265/288≈939hPa。答案：约939hPa2.解析思路：根据临界频率公式f_c²=9N_max/(ε₀μ₀)，其中N_max=N₀*exp(-Ne/H)，N₀为地面电子密度，Ne为峰值电子密度，H为电子密度尺度高度。对于F₁层，f_c≈3MHz，假设N₀=0（临界频率对应最大电子密度）。需要计算临界角sin(θ_c)=f_c/f=3MHz/10MHz=0.3。临界角θ_c=arcsin(0.3)≈17.46°。答案：约17.46°五、论述题解析思路：大气现象对空间科学活动的影响是多方面的。1.大气密度：随高度迅速减小，对低轨道卫星产生阻力，导致轨道衰减，影响卫星寿命；对高轨道卫星，大气密度波动（尤其极区）也会引起轨道不规则变化；大气密度影响航天器再入大气层时的气动加热和控制。2.大气阻力：不仅衰减轨道，还会影响卫星姿态稳定，特别是在低空或大气密度异常（如电离层底部）区域；是发射轨道设计、交会对接等需要精确控制的因素。3.电离层不规则性（如IBCs,FIBEs）：导致GPS、北斗等卫星导航信号失真、衰落甚至中断，影响定位精度和可靠性；使高频通信信号产生闪烁，影响通信质量；影响雷达信号传播；对卫星星载传感器（如相机、激光雷达）的成像和探测精度产生干扰。4.极区高层大气风场（如极区风）：影响极区电离层结构和参数的时空变化，加剧极区亚暴等空间天气事件的影响；对极区卫星轨道产生长期漂移