2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 火星大气成分的监测与分析

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——火星大气成分的监测与分析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.与地球大气相比，火星大气最显著的特征之一是（）。A.氮气含量最高B.氧气含量相对较高C.密度低，主要成分是二氧化碳D.拥有稳定的水蒸气层2.下列哪种光谱分析方法常用于遥感探测火星大气成分，并能够获得高分辨率的光谱信息？（）A.微波辐射计B.拉曼光谱技术C.红外扫描成像D.普通光栅分光光度计3.火星探测器上用于直接分析采集到的火星大气样品的仪器通常是（）。A.高光谱成像仪B.傅里叶变换红外光谱仪C.质谱仪D.气相色谱仪4.在火星大气成分反演的光谱分析中，选择“大气窗口”进行观测的主要目的是（）。A.提高探测器的发射功率B.减少探测器自身的热辐射干扰C.穿透火星大气，获取下方地表信息D.只观测水蒸气等特定气体吸收信号5.甲烷（CH₄）在火星大气中虽然含量很低，但其探测具有重要意义，主要因为（）。A.它是构成火星大气的主要成分B.它是生命活动的重要标志物之一C.它能强烈吸收红外辐射，导致火星变暖D.它是驱动火星大气环流的主要能源6.火星上的“沙尘暴”现象对大气成分监测的主要影响包括（）。A.显著提高大气中水蒸气含量B.改变大气中某些气体（如CO₂）的垂直分布C.使大气成分均匀化，减少区域差异D.完全阻挡所有波长的电磁波，无法进行遥感探测7.火星大气中二氧化碳的主要来源是（）。A.火星表面的生物呼吸作用B.火星内部的火山喷发活动C.大气中甲烷的氧化D.火星夜晚的地面辐射冷却8.下列哪项技术或方法不属于用于分析火星大气成分的手段？（）A.傅里叶变换红外光谱（FTIR）B.激光雷达高度测量C.质谱飞行时间（TOF-MS）D.气相色谱-质谱联用（GC-MS）9.火星大气成分监测数据对于研究火星气候演化的重要意义体现在（）。A.可以直接推算出火星表面的平均温度B.能够帮助重建过去大气成分的变化历史C.可以精确测量火星到太阳的距离D.能够直接确定火星上是否存在液态水10.火星探测器上的大气分析仪（如SAM）在进行样品分析前，通常需要进行背景气体的测量，其主要目的是（）。A.校准仪器零点B.排除仪器本身可能泄漏的气体干扰C.测量火星大气总压强D.判断火星大气是否稳定二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题中横线上）1.火星大气的主要直接成分按体积分数计，占比最高的是______。2.利用光谱仪测量气体吸收特征来反演其浓度的基本原理是______。3.“好奇号”火星车携带的______仪器可以用来分析岩石和土壤的矿物成分，间接推断过去大气的组成。4.火星大气密度极低，大约只有地球海平面大气密度的______。5.探测器上搭载的质谱仪通过测量离子______来确定物质的化学元素组成和同位素比例。6.火星大气中的水主要以______、水冰和水蒸气的形式存在。7.______是目前火星探测中最重要的气体成分，其浓度在火星表面的不同高度存在显著差异。8.为了克服火星大气对可见光的强烈散射，遥感探测火星表面通常采用______成像技术。9.分析火星大气成分数据时，需要考虑并去除______等多种因素的影响，以获得真实的气体浓度信息。10.火星大气成分监测对于评估火星是否存在宜居环境具有重要的______意义。三、简答题（每小题5分，共15分）1.简述红外光谱技术在遥感探测火星大气成分方面的基本原理。2.比较直接采样分析法和遥感探测法监测火星大气成分的主要区别。3.解释为什么监测火星大气中的甲烷含量对科学界如此重要。四、计算题（共10分）假设使用傅里叶变换红外光谱仪探测火星大气，在某个特定波数位置（ν=2400cm⁻¹）检测到CO₂分子强烈的吸收峰。已知CO₂在该波数处的吸收截面为σ=2.0x10⁻²cm²/mol。探测器接收到的信号强度与该波数处的大气透过率成反比。如果测量得到该波数位置的透过率T=0.85，火星大气在该波数位置的路径长度L=10km。请计算该路径上火星大气中CO₂的柱浓度（单位：mol/cm²）。（提示：透过率T=e^(-σcl)，其中c为浓度，l为路径长度）五、论述题（15分）论述火星大气成分监测数据在理解火星气候系统（包括当前状态和演化历史）方面所起的作用，并举例说明。试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.D5.B6.B7.B8.B9.B10.B二、填空题1.二氧化碳2.吸收定律（或朗伯-比尔定律）3.火星化学与矿物学分析仪（SAM）4.1%5.丰度（或质量/电荷比）6.液态水（或冰、水蒸气）7.二氧化碳8.多光谱（或伪彩色）9.大气散射（或大气吸收、仪器噪声、背景气体）10.评估（或判断、探索）三、简答题1.解析思路：红外光谱技术基于不同分子振动和转动能级跃迁需要吸收特定频率（波数）的红外光。每种气体分子都有其独特的红外吸收光谱“指纹”。通过探测火星大气反射或透射的红外辐射，分析其中特定波数位置的吸收强度和特征，可以识别大气中存在的气体种类及其浓度信息。2.解析思路：直接采样分析法通过探测器上的仪器直接分析采集到的火星大气样品，能够获得高精度的成分数据，但无法反映大气在空间上的分布变化，且采样点有限。遥感探测法通过从轨道或地面观测火星大气对电磁波（如红外、微波）的吸收、散射等特性来反演大气成分，可以在大范围时空尺度上获取连续数据，了解成分的分布和变化，但数据精度受大气状况、仪器性能等多种因素影响。3.解析思路：甲烷是一种相对较轻的气体，其在大气中的存在可能暗示近期存在产生源（如生物活动或地质活动）或消耗过程。生物甲烷假说认为，如果探测到现存的、具有特定时空分布特征的甲烷异常浓度，可能表明火星表面或近地表存在（过去或现在）的生命迹象。因此，监测甲烷是评估火星宜居性和生命存在可能性的关键指标之一。四、计算题解题步骤：1.根据公式T=e^(-σcl)取自然对数，得到ln(T)=-σcl。2.代入已知数值：ln(0.85)=-(2.0x10⁻²cm²/mol)*c*(10km*10³cm/km)。3.计算路径长度l：l=10km*10³cm/km=10⁴cm。4.代入并计算：ln(0.85)≈-0.1625，-0.1625=-(2.0x10⁻²)*c*(10⁴)。5.解出浓度c：c=-0.1625/[-(2.0x10⁻²)*(10⁴)]=0.1625/(2.0x10²)=0.1625/200。6.最终结果：c=0.0008125mol/cm²。答案：该路径上火星大气中CO₂的柱浓度为0.0008125mol/cm²。五、论述题解析思路：1.阐述核心作用：火星大气成分是火星气候系统的关键组成部分，其组成、浓度和变化直接影响火星的能量平衡、温度结构、水循环、天气现象以及潜在的生命支持环境。因此，监测大气成分是理解火星整体气候状态和演化的基础。2.具体方面举例：*当前状态：通过探测CO₂浓度、水蒸气含量、尘埃分布、甲烷丰度等，可以实时了解火星当前的气候状况，如温度、气压、湿度和天气事件（如沙尘暴）。*温度与压力：大气主要成分（CO₂）的浓度和分布直接影响火星的温室效应和全球平均温度。大气压强的测量（通过气压计或光谱法反演）是评估大气密度和宜居性的基本参数。*水循环：水蒸气含量的监测对于理解火星的水循环过程（水的相变、输送和沉积）至关重要，有助于评估水的存在形式和潜在流动性。*气候变化历史：对古代火星岩石或沉积物中记录的大气成分信息（如同位素比值）进行分析，或者通过遥感探测古代湖泊、三角洲等地貌遗迹反映的过去大气环境，可以重建火星气候的演化历史，如大气的丢失、冰期的更替等。*