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高考申論題 114年 [天文] 太陽系

第 一 題

📖 題組:
羅塞塔號(Rosetta)是歐洲太空總署於 2004 年初發射造訪 67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星(comet 67P/Churyumov-Gerasimenko;以下簡稱彗星 67P)的太空探測船。羅塞塔被譽為是一個開創性的太空任務,是人類有史以來第一個環繞彗星軌道運行並放置登陸器的彗星任務。羅塞塔號經過 10 年的飛行,終於在 2014 年抵達彗星 67P。請問:
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

彗星 67P 編號中的英文字母“P”代表什麼意思?(2 分)

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看到彗星編號,應立刻聯想國際天文聯會(IAU)對小天體與彗星的命名及分類規範。英文字母通常代表彗星的軌道動力學特性,考生需回想「P」字頭對應的英文單字及其具體的軌道週期年限定義。

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彗星 67P 編號中的英文字母「P」代表週期性(Periodic)彗星。 依據國際天文聯會(IAU)的命名與分類規範,標示為「P」的彗星具備以下特徵: (1) 軌道週期短於 200 年(即短週期彗星)。

小題 (二)

羅塞塔任務除了軌道飛行器(orbiter)羅塞塔號外,還攜帶了一艘登陸器(lander)。請問這艘登陸船叫什麼名字?(2 分)

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本題屬於太陽系探測史的記憶型基本題。解題時直接回想歐洲太空總署(ESA)羅塞塔任務的配置,其軌道器命名為「羅塞塔(Rosetta)」,而登陸器則是以同樣幫助破解古埃及文字的另一歷史文物來命名,藉此帶出解答。

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羅塞塔號攜帶的登陸器名稱為「菲萊號」(Philae)。 【補充說明】 「菲萊」一名源自於在埃及尼羅河菲萊島上發現的方尖碑。這座方尖碑與羅塞塔石碑共同幫助歷史學家破解了古埃及象形文字;科學家以此命名,象徵該登陸器與軌道器將攜手幫助人類解開太陽系早期形成與演化的奧秘。

小題 (三)

為何迄今為止,人類執行了超過十次以上的彗星探訪任務,卻沒有一次彗星任務是造訪源自歐特雲的彗星?(8 分)

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看到此題應先聯想歐特雲彗星的軌道特性(長週期、高軌道傾角、極高進入速度),並將其與現有太空任務的工程限制進行結合。解題時建議從「發現與預警時間不足」、「能量需求(速度增量 Delta-v)過大」及「軌道傾角與可預測性」三個維度進行條列式論述。

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【破題】 人類迄今未造訪源自歐特雲的彗星,根本原因在於其軌道動力學特性(長週期、高相對速度)與現今航太工程技術的能量限制($\Delta v$)、以及任務規劃的預警時間之間存在難以跨越的落差。 【論述】

小題 (四)

彗星 67P 的近日點距離太陽不過 1.24 AU,為何羅塞塔號要經過 10 年飛行,包含三次地球、一次火星重力助推(gravity assist),才能抵達目標?(5 分)

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看到此題,應立即從「軌道動力學」與「任務目標」切入。關鍵在於羅塞塔號是「環繞與登陸(Rendezvous)」任務,非僅是「飛掠(Flyby)」。探測器不僅需到達該空間距離,還必須完全匹配彗星 67P 的軌道(包含速度向量、離心率、軌道傾角),這需要極大的速度變化量(Δv),在燃料限制下必須仰賴多次重力助推來耗時調整。

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【破題】羅塞塔號耗時 10 年的主因在於其任務性質為「環繞與登陸(Rendezvous)」,探測器不僅要抵達 1.24 AU 的空間位置,更必須在三維空間中完全同步彗星 67P 的軌道速度向量與運行軌跡。 【論述】 一、相對速度與軌道匹配(Rendezvous vs. Flyby)

小題 (五)

羅塞塔彗星任務的主要科學發現為何?(8 分)

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解答此題需連結羅塞塔任務的兩大核心科學目標:『太陽系早期演化』與『地球水及生命起源』。作答時應以條列式精準點出水同位素比例(D/H ratio)、有機分子(胺基酸)、彗核形狀與物理特性(雙瓣結構、無磁場)、以及氣體成分(分子氧)等四大面向的重大發現。

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【破題】 羅塞塔任務對 67P 彗星的探測,為科學界在太陽系早期原行星盤的物理環境、微行星吸積機制,以及地球水與生命起源等議題上,提供了革命性的觀測證據。 【論述】

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