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高考申論題 108年 [天文] 太陽系

第 一 題

📖 題組:
太陽系行星可以分成「類地行星」與「類木行星」。試問:
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

列出那些行星屬於類地行星,並依照體積大小,由大至小排列。(5 分)

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考生應先回想太陽系八大行星的分類,區分出位於內太陽系的四顆岩石行星(類地行星)。接著提取各行星的物理特性(半徑/體積)記憶,確認地球為最大,金星次之(兩者體積相近),火星大約為地球的一半,水星為最小,最後依序條列作答即可。

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太陽系中的「類地行星」(Terrestrial planets)共有四顆,主要由矽酸鹽岩石與金屬構成,具有堅硬的固體表面。 依照體積(物理大小)由大至小排列如下:

  1. 地球(Earth):平均半徑約 6,371 km,為體積最大的類地行星。

小題 (二)

類木行星又分成氣態為主或冰體為主兩種。那幾個行星以氣態為主?那幾個以冰體為主?說明造成這種差別的主要原因。(15 分)

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作答此題需先將類木行星(木星、土星、天王星、海王星)依據成分準確對應至「氣態」與「冰體」兩類。解釋原因時,務必引用「核心吸積模型」與「雪線(Frost Line)」假說,點出「物質密度」與「原行星盤氣體耗散時間差」是造成兩者最終質量與成分差異的核心物理機制。

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【破題】類木行星(Jovian planets)依據其主要組成成分之相態與質量比例,進一步細分為「氣態巨行星」與「冰巨行星」。此物理化學性質之差異,主要源於太陽系形成早期的原行星盤溫度分佈及吸積時間差。 【論述】 一、 類木行星之分類

小題 (三)

海王星軌道以外的古伯帶天體(Kuiper belt objects)屬於氣態還是冰體天體?(5 分)

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考生看到此題應先聯想太陽系的「溫度梯度」與「雪線(Frost line)」概念。古伯帶位於海王星外,距離太陽極遠且溫度極低,輕元素無法以氣態大量維持,且這些天體質量較小不足以吸積氫氦氣體,因此必然是冰與岩石組成的冰體天體。

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海王星軌道以外的古伯帶天體(Kuiper belt objects, KBOs)屬於冰體天體(Icy bodies)。 其物理特徵與形成機制包含: (1) 位置與溫度環境:古伯帶位於距離太陽約 30 至 50 天文單位(AU)之處,遠超過太陽系早期的「雪線」(Frost line)。該區域表面溫度極低(通常低於 50 K),無法提供熱能讓物質維持氣態。

小題 (四)

列出一項曾經探測古伯帶天體的太空任務的名稱,並舉出其中一項重要的科學發現。(5 分)

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看到此題應立即聯想人類歷史上首個直接飛掠古伯帶天體的探測任務——NASA的「新視野號」(New Horizons)。作答時,先明確寫出任務名稱,接著從其探測目標(冥王星或阿羅科斯 Arrokoth)中挑選一項最具代表性的地質特徵或對太陽系早期動力學模型有貢獻的發現進行條列說明。

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太空任務名稱:新視野號(New Horizons) 重要科學發現(列舉一項即可): (1) 冥王星的活躍地質活動:發現冥王星表面有一個巨大的心形區域(湯博區),其中央的「史波尼克高原」(Sputnik Planitia)充滿了流動的氮冰,缺乏撞擊坑,顯示這顆遠離太陽的矮行星內部仍有熱源驅動著近期的地質對流與更新活動。

小題 (五)

木星、金星與地球都有大氣層,這些大氣層的主要化學成分各為何?(5 分)

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看到本題應聯想行星形成機制與大氣演化路徑的差異。木星因質量大且距離太陽較遠,保留了星雲早期的原始大氣;而金星與地球則經歷了內部除氣作用及不同演化歷程(如失控溫室效應或生物圈作用),形成了次生大氣。

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木星、金星與地球的大氣層因行星形成機制(原始大氣 vs 次生大氣)與後續演化路徑不同,其主要化學成分有顯著差異,具體如下:

  1. 木星(類木行星):保留了太陽系早期的原始大氣,主要成分為氫氣(H₂,約佔體積 90%)與氦氣(He,約佔 10%),以及極微量的甲烷、水氣與氨。
  2. 金星(類地行星):經歷極端的失控溫室效應,大氣主要由火山除氣作用累積而成,核心成分為二氧化碳(CO₂,約 96.5%)以及少量的氮氣(N₂,約 3.5%)。

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