火卫二地形地貌探测综述

李铁映，顾征，周晓伶

北京空间飞行器总体设计部，北京 100094

1 引言

火星有2颗卫星，即火卫一(Phobos)、火卫二(Deimos)，是除月球外仅有的类地行星的天然卫星。这2颗卫星处于被中心天体潮汐力锁定状态，其自转周期等于环火公转周期，只有一面始终朝向火星。自1877年发现这2颗卫星以来，人类利用地面观测、哈勃望远镜、深空探测器等方式开展了探测活动。尤其是20世纪70年代以后，人类发射了各类火星探测器以及深空探测器，利用这些探测器对2颗卫星进行了更加深入的观测。但对于充分认识2颗卫星的起源、演化过程，积累的数据不足，仍需开展更多的探测研究。近年来，关于火卫一和火卫二的探测也获得了越来越多的关注。NASA已陆续召开了3届关于火卫一、火卫二探测的国际会议[1-3]，探讨相关科学、无人探测及有人探测等内容。日本也规划了针对2颗卫星的探测项目[4]，以获取更详细的地形地貌数据。

此外，对火卫一、火卫二开展探索研究，不仅有助于了解2颗卫星自身的起源、演化过程，还可为未来探索火星提供帮助，能够为揭示太阳系的形成及演化过程提供线索。Francisco J. Arias提出了利用火星卫星上的“沙子”对进入火星大气层的再入飞行器减速[5]，Ariel N. Deutsch系统阐述了火星卫星在将来火星探测中的重要作用[6]，这些研究都为未来的火星探测任务提供了新思路。

在对地外天体的各种探索活动中，地形地貌研究都是最重要的研究内容之一。火卫一(Phobos)更靠近火星，观测相对容易，因此关于火卫一地形地貌研究的资料相对较多。本文主要以火卫二为对象，整理了围绕火卫二开展的航天探测活动，并重点梳理了与地形地貌相关的研究成果，以期为未来对火卫二的探测研究提供参考。

2 火卫二基本参数及起源假说

2.1 轨道及物理特性参数

火卫二是火星2颗卫星中较小的那颗，为暗红色的不规则天体，亮度为12.4星等，比火星亮度低7～8等[7]。该卫星运行在大于火星同步轨道高度(17 065 km)的轨道上，由于受到潮汐力的影响，有逐渐远离火星的趋势。研究表明在过去的2.3×109年内轨道升高了1.5%[8]。多个探测器拍摄的图片显示，火卫二表面分布着许多撞击坑，但有碎石块和风化层覆盖，表面比较光滑[9]。通过发射电磁波对其进行探测[10]，发现火卫二对电磁波反射率比其他太阳系内天体的反射率都要低，表面就像被光滑、细小、多孔的风化土壤层包裹着，推测其表面密度低、土壤孔隙率大。与其他小型天体(火卫一、Gaspra、Ida等)相比，火卫二表面非常平整，没有沟槽结构(grooves)[11]。图1为由MRO的HiRISE相机拍摄的火卫二彩色增强图像[12]。

图1 由MRO的HiRISE相机拍摄的火卫二彩色增强图像Fig.1 The Deimos color photos taken by MRO

火卫二的轨道参数及其他特性参数如表1所示[13-14]。

表1 火卫二轨道参数及物理特性参数

2.2 起源假说

关于火卫二的起源，目前科学界还存在争论，是研究人员迫切想解释的一个科学问题，因为该问题能够揭示太阳系形成和演化的过程。目前，主要存在“小行星捕获”、“火星轨道自然生成”两类假说[15-17]，其中“自然生成”假说又可分为“自然聚集”假说及“撞击抛射”假说[18-19]。以上假说的支撑证据及矛盾点如表2所示。

表2 起源假说证据及矛盾点

随着对火星、火星卫星观测数据的积累，“撞击抛射”假说目前更占主流，研究人员还对撞击抛射过程开展了建模分析[20-23]。目前对于火卫二起源的分析，主要是基于卫星表面特性观测数据及轨道信息。如要给出更全面的科学解释，还需要更多更细致的探测活动以开展卫星内部结构研究，如地形地貌高分辨率详查、就位探测、采样返回等。

3 地形地貌探测

自20世纪70年代以来，人们对火卫二开展了一系列探索活动，主要包括地面观测、哈勃望远镜观测以及火星探测器观测。大多数火星探测器的主要目标是火星探测，其中一些探测器的拓展任务是火星卫星探测，极少数探测器的主任务是火星卫星探测。截至目前对火卫二进行过观测的航天器见表3[24]。

表3 对火卫二开展观测的航天器

3.1 水手9号

水手9号发射于1971年，携带了11°×14°广角相机、1.1°×1.4°窄视场相机、红外辐射计、超紫外光谱仪、红外干涉光谱仪等载荷，是第一个以足够分辨率对火卫二成像的探测器，并在飞行过程中利用火卫二进行了导航。由于运行轨道较高，探测器可在小于7 000 km的距离内对火卫二成像，其中最近的照片拍摄于1 200 km距离处，分辨率达到了30 m。这些照片第一次揭示了火卫二的形状、表面被风化层覆盖及处于潮汐锁定的状态，显示了火卫二上有许多撞击坑。根据撞击坑的数量，推测火卫二的年龄为109年量级[25]。图2为水手9号拍摄的火卫二图片[26]。

图2 水手9号拍摄的火卫二图片Fig.2 The Deimos photo taken by Mariner 9

3.2 海盗1/2号

海盗1/2号轨道器发射于1976年，携带了成像设备，在飞越火卫二时利用立体相机对其进行观测。在拓展任务阶段，海盗2号轨道器把探测火星卫星作为最高的科学目标，多次开展了近距离飞越观测。海盗2号轨道器观测到的火星卫星数据是当时世界上最为详尽的，直到欧洲火星快车(Mars Express)发射，才获取了更高精度的数据(只针对火卫一)。

海盗2号轨道器通过变轨，对火卫二进行了5次飞越观测，观测距离均小于1 000 km，其中最小观测距离为33 km，图像分辨率在50 m以内[27]，最高分辨率可达1.3 m/像素。这些照片揭示了火卫二与火卫一的差异，表明火卫二的表面比火卫一的表面光滑得多，也没有广泛存在于火卫一表面的线性凹陷。图3为海盗2在不同距离对火卫二成像的效果[28-30]。

图3 海盗2在不同距离对火卫二成像效果Fig.3 The photos taken from different distances by Viking 2

通过海盗2号轨道器的观测数据，还推测出火卫二的体积在1 200～1 500 km3范围内，大于水手9号估算的数据(1 000 km3)。通过红外热像仪，获得了火卫二表面热分布特性[31]。

3.3 火星快车

火星快车发射于2003年，在2005年7月至2011年7月，共50余次接近火卫二，获得了136幅图像。但探测器距离火卫二较远，约9 582～14 000 km，因此获得图像的最大分辨率约在100 m左右。由于火星快车与火卫二轨道关系，在整个任务期间探测器只获取了火卫二朝向火星一面的图像[32]。

成像过程中使用的载荷主要为高分辨率立体相机(high resolution stereo camera, HRSC)、成像光谱仪(OMEGA)，基于观测数据重新估算了火卫二的体积及密度，并对表面成分进行了研究。图4为火星快车拍摄的火卫二图片[33]。

图4 火星快车拍摄的火卫二图片Fig.4 The Deimos photos taken by Mars Express

3.4 火星勘察轨道器(MRO)

火星勘察轨道器发射于2005年，利用高分辨率成像科学实验相机(high-resolution imaging science experiment，HiRISE)、紧凑型火星侦察成像光谱仪(compact reconnaissance imaging spectrometer for mars , CRISM)对火卫二进行了拍照观测，获得了分辨率20 m/像素的照片，是首次拍摄到的火卫二彩色高分辨率图像[34]。MRO拍摄的图片，展示了火卫二表面颜色变化及撞击坑的颜色特性，图像效果如图5、图6所示。根据拍摄的照片，对撞击坑及周边物质进行了分析，对火卫二表面的光谱反射率梯度进行了估计。

图5 基于HiRISE数据合成校准的火卫二图片Fig.5 Deimos photo calibrated based on HiRISE data

图6 MRO拍摄的火卫二撞击坑Fig.6 The craters photo taken by MRO

3.5 “曼加里安”号

印度火星探测器(Mars Orbiter Mission, MOM)，又名“曼加里安”号，发射于2014年，其运行轨道为261 km×78 000 km的大椭圆。在运行过程中，利用火星彩色相机(Mars color camera，MCC)载荷对火星卫星进行拍照。火星彩色相机工作在可见光波段，能够拍摄真彩色图像，共拍摄了4幅火卫二背面图片，这是首次利用探测器对火卫二背面成像[35]。图7为“曼加里安”号对火卫二拍摄的照片。

图7 “曼加里安”号对火卫二拍摄的照片Fig.7 The photos taken by MOM

此次成像距离比较远，分辨率比较低，但大致可以看出火卫二背面要比正面光滑，没有大的撞击坑。

3.6 其他探测器

由于距离远、成像分辨率低或探测目的等原因，一些探测器的观测结果并不能增加对火卫二地形地貌的了解。这些探测器获取的成果主要有：福布斯2(Phobos 2)在经过火卫二下方时会探测到带电粒子通量变化及火星磁场扰动，显示了火卫二与太阳风存在相互作用[36]；好奇号、机遇号、勇气号均拍摄了火卫二凌日过程图片；火星全球勘测者(Mars Global Surveyor)，对火卫二表面气体/土壤尘与太阳风关系进行了观测和研究[37]；火星探路者(Mars Pathfinder)利用IMP(imager for Mars Pathfinder)设备观测了火卫二，获得不同波段的反射率数据，并首次在900～1 000 nm波段对火卫二进行了精细测量[38]。

4 地形地貌研究

科学家利用探测器拍摄的火卫二照片进行了深入研究，获得了火卫二表面的形貌特征。同时科研人员也大量分析了表面的光谱及反射率特性，对于风化土壤层的特性及成分进行了研究。

4.1 火卫二表面形貌特征研究

Peter Thomas以海盗号拍摄的照片对火卫二表面特征进行了研究[39]，将表面分为风化层、撞击坑、明亮的反射物质(bright albedo markings，简称“亮区”)及块状物(blocks)。结果表明：火卫二表面小撞击坑较少，且撞击坑底部要么平坦，要么呈现碗状，平坦的坑底有明显的坑壁。在1个直径700 m的撞击坑周围分布着许多3～20 m的块状物，在一些大的撞击坑周围块状物尺寸可达数十米，其中最大的可达150～200 m，这些块状物成簇出现或松散地排列成300 m长的队列，最大的块状物与平坦的风化层存在明显界限。表面的块状物呈现非常稳定的状态，并没有可见的滚动石块存在。火卫二表面的“亮区”多分布在距撞击坑10 m以内的范围内，并形成了整个亮的条带，大约覆盖2 km2的区域，推测这层物质应该很薄。虽然火星卫星表面特征都直接或间接地由撞击产生，但火卫二与火卫一表面特征并不一致，火卫二表面广泛存在着物质移动(downslope movement)，其内部结构不能通过表面特征呈现。

Peter Thomas利用海盗号拍摄的照片对火卫二朝向火星一侧表面上直径大于1 km的撞击坑密度进行了分析[40]，同时针对局部区域分析了直径大于5 m以上的撞击坑密度，结果表明火卫二撞击坑密度与火卫一相似。

Hirata等人[9]结合海盗号和MRO的HiRISE相机图像，对火卫二撞击坑的分布情况进行了研究，通过评价撞击坑空间分布的随机性判断是否处于饱和状态。结果显示火卫二与火卫一表面的撞击坑密度(crater density)及撞击坑尺寸-频度分布(crater size-frequency distribution，CSFD)无显著差异，大约是月球表面撞击坑密度的一半。火卫二表面上直径30 m的撞击坑分布呈现随机性，CSFD曲线的斜率为-1.7，其绝对值比火星、月球的数值要小，与Eros、Itaokawa等小行星数值接近。CSFD曲线斜率较小的主要原因是火卫二表面尺寸较小的撞击坑数量少，这是由于撞击发生后会引起星体地震且抛射物会缓慢移动。最终研究认为，火卫二是一个布满撞击坑的星体，最大的撞击坑直径约2.3 km，如果把南极的凹陷也认为是撞击坑，则最大的撞击坑直径为10 km。表面撞击坑分布呈现随机特点，因此撞击坑的年龄既不反映火卫二的生成年代也不反映南极撞击坑的生成年代。图8为火卫二表面撞击坑分布图。

图8 火卫二表面撞击坑分布图Fig.8 The distribution of craters on Deimos

4.2 火卫二表面风化层特性研究

火卫二表面比火卫一光滑得多，小尺寸的撞击坑较少，大的撞击坑也显示存在被物质填充的状态，这显示火卫二表面被某些物质覆盖了[41]。

M. Noland等人利用水手9号的高分辨率图片(B-camera)[42]，分析了20°～80°相角下的火卫二表面反射率，结果表明火卫二表面偏暗、纹理复杂，进一步证明了存在风化层。火卫二表面也存在一些反射率偏大的区域(brighter albedo marking)，要比其他区域明显高30%，这可能是造成表面平均反射率比火卫一大的原因。同时，Noland进一步对火卫二表面的“亮区”进行研究[43]，得到其纹理与其他区域无差别的结论，表明火卫二朝向火星的一面无大尺寸的裸露坚硬岩石。

从海盗号的观测中发现，火卫二表面存在物质运动，具体表现为风化层会从撞击坑周边的“山脊”向下移动。P. Thmoas等人利用海盗号轨道器图片研究了火卫二表面物质的移动特性[44]，分辨率为1.5 m/像素的图片显示出很多撞击坑被沉积物填充，只有退化的撞击坑边缘突出于星体表面，且撞击坑内部形貌并不对称，星体表面“亮区”呈现从“山脊”向下延伸的状态。根据以上特点，推测表面风化层会沿着坡面向低处移动，这也是火卫二表面呈现当前特征的重要因素。建立了多个移动机理假设模型，如果火卫二形成于4×109年前，则估算出的风化层移动速度为5×10-2cm3/(cm·a)。

1986年，Zharkov等人[13]通过对海盗号拍摄的图像进行深入研究，发现火卫二没有火卫一上常见的线性凹陷。火卫二表面的主要特征是直径小于50 m的撞击坑被一层厚厚的灰尘覆盖着，这层灰尘使得其表面看起来相当光滑。火卫二表面的风化层平均厚度为10～50 m，许多撞击坑被填充到5 m的深度。火卫二表面的喷出物比火卫一表面的要多，既有细的(整个表面和撞击坑内的物质)，也有粗的(巨砾和石块)，这种表面形态的差异可能是由于火卫二更容易限制撞击坑形成过程中物质的释放。此外，火卫二的表面很可能是由比火卫一更弱的束缚材料组成，在撞击坑形成过程中喷出物质的速度很慢，导致大部分物质再次落回其表面上。火卫二表面的显著特点是亮物质覆盖的面积相当大，其形成可能是由于微陨石轰击造成的碎片，因为非常细的粒子具有很强的反照率。这些亮物质沿着撞击坑壁向下延伸，形成一层10 cm厚的薄层。

Michael Nayak[45]研究了火卫二撞击坑产生的模型及演化过程，研究表明体积比较大的抛射物可以传递到火卫一表面，但是大部分抛射物又重新积累回火卫二，形成1～2 m厚的均匀覆盖层，这也可部分解释火卫二表面的风化层来源。

P. C. Thomas[46]研究了火卫二最大撞击坑抛射物重新分布模型，对风化层移动速度进行了估算，约10-1cm3/(cm·a)。研究结果表明火卫二上的抛射物会因为星体震动等因素重新分布，即表现为风化层缓慢移动。

针对风化层的形成，M. Fries[47]提出了一种星际尘埃积累与撞击抛射相结合的假说。该假说既可以解释风化层积累，也可以解释火卫二表面光谱特性与含碳物质相似的现象。

4.3 火卫二地形地貌研究小结

截至目前，成像分辨率最高的探测器是海盗号，且图像数量多，关于表面特性的信息丰富。对火卫二地貌特征的分析主要是基于海盗号图像开展，辅以少量MRO的图像，而火星快车拍摄的火卫二图像分辨率较低且覆盖区域很少，还不足以基于此开展更深入的研究。因此，科学家们基于海盗号任务和MRO的图像对火卫二地表的研究是目前最充分也是最可信的。简言之，关于火卫二地形地貌，研究者们形成的主要研究成果如下：

1)火卫二表面存在撞击坑、风化层、明亮的反射物质(bright albedo markings)及块状物；

2)火卫二表面遍布撞击坑，撞击坑密度大约是月球撞击坑密度的一半，最大的撞击坑直径2.3 km(不含南极凹陷)，大部分撞击坑被厚厚的灰尘覆盖，且这种覆盖会朝撞击坑外围延伸；

3)火卫二表面分布着尺寸几米到上百米不等的块状物，最大的块状物约150～200 m；

4)火卫二表面有较厚的风化层覆盖，这些风化层主要由细碎物质和灰尘组成，结构松软，且会沿着坡度移动，最终重新分布。

5 结论

通过调研可以看出，对火卫二开展探测，在揭示早期太阳系形成及演化过程、火卫二起源及演化、与火星之间物质输送、火星演化、行星形成物质的分布与转移、小天体表面演化等方面具有重大的科学意义。

自20世纪70年代以来，美国、前苏联、欧洲、印度等国对火卫二陆续开展了探测，探测手段包括地面射电观测、空间天文望远镜及深空探测器。由于受到观测条件限制，大部分研究成果是通过深空探测器获得的，且所有深空探测器的探测主任务均不是围绕火卫二开展，没有对火卫二背面开展过详细观测。探测的手段主要是相机成像、光谱分析等遥感手段，且仪器分辨率普遍不高。

对于中国深空探测来说，火卫二是一个良好的探测目标。首先，其具有很高的科学价值；其次，当前已经开展的探测还停留在低分辨率遥感观测阶段，有很多的科学问题尚待探索。因此，中国可以设计针对火卫二的探测任务，具体建议如下：

1)探测任务以火卫二为主目标或者主目标之一，可以和火星探测统筹开展，但在任务设计、轨道设计、有效载荷配置等方面需针对火卫二的特点；

2)首次火卫二探测的任务形式建议为高分辨率全球遥感，大幅提升对火卫二的系统性认知，在科学上获得更丰富的成果，在工程上为后续任务实施奠定基础；

3)鉴于火卫二具有硬质结构且表面被风化层覆盖的地形特点，在全球高分辨率遥感任务成功实施后，建议直接开展火卫二采样返回任务，在地面对采集的样品进行细致研究，实现科学认知的跨越式提升。

综上，通过开展火卫二探测任务，可以获得难以估计的科学数据，提升中国地外天体探测的科学水平，同时，也可以为小天体探测等深空探测任务提供丰富的技术积累与工程经验，具有很强的科学和工程意义。