火衛二地形地貌探測綜述

李鐵映，顧征，周曉伶

北京空間飛行器總體設計部，北京 100094

1 引言

火星有2顆衛星，即火衛一(Phobos)、火衛二(Deimos)，是除月球外僅有的類地行星的天然衛星。這2顆衛星處于被中心天體潮汐力鎖定狀態，其自轉周期等于環火公轉周期，只有一面始終朝向火星。自1877年發現這2顆衛星以來，人類利用地面觀測、哈勃望遠鏡、深空探測器等方式開展了探測活動。尤其是20世紀70年代以后，人類發射了各類火星探測器以及深空探測器，利用這些探測器對2顆衛星進行了更加深入的觀測。但對于充分認識2顆衛星的起源、演化過程，積累的數據不足，仍需開展更多的探測研究。近年來，關于火衛一和火衛二的探測也獲得了越來越多的關注。NASA已陸續召開了3屆關于火衛一、火衛二探測的國際會議[1-3]，探討相關科學、無人探測及有人探測等內容。日本也規劃了針對2顆衛星的探測項目[4]，以獲取更詳細的地形地貌數據。

此外，對火衛一、火衛二開展探索研究，不僅有助于了解2顆衛星自身的起源、演化過程，還可為未來探索火星提供幫助，能夠為揭示太陽系的形成及演化過程提供線索。Francisco J. Arias提出了利用火星衛星上的“沙子”對進入火星大氣層的再入飛行器減速[5]，Ariel N. Deutsch系統闡述了火星衛星在將來火星探測中的重要作用[6]，這些研究都為未來的火星探測任務提供了新思路。

在對地外天體的各種探索活動中，地形地貌研究都是最重要的研究內容之一。火衛一(Phobos)更靠近火星，觀測相對容易，因此關于火衛一地形地貌研究的資料相對較多。本文主要以火衛二為對象，整理了圍繞火衛二開展的航天探測活動，并重點梳理了與地形地貌相關的研究成果，以期為未來對火衛二的探測研究提供參考。

2 火衛二基本參數及起源假說

2.1 軌道及物理特性參數

火衛二是火星2顆衛星中較小的那顆，為暗紅色的不規則天體，亮度為12.4星等，比火星亮度低7～8等[7]。該衛星運行在大于火星同步軌道高度(17 065 km)的軌道上，由于受到潮汐力的影響，有逐漸遠離火星的趨勢。研究表明在過去的2.3×109年內軌道升高了1.5%[8]。多個探測器拍攝的圖片顯示，火衛二表面分布著許多撞擊坑，但有碎石塊和風化層覆蓋，表面比較光滑[9]。通過發射電磁波對其進行探測[10]，發現火衛二對電磁波反射率比其他太陽系內天體的反射率都要低，表面就像被光滑、細小、多孔的風化土壤層包裹著，推測其表面密度低、土壤孔隙率大。與其他小型天體(火衛一、Gaspra、Ida等)相比，火衛二表面非常平整，沒有溝槽結構(grooves)[11]。圖1為由MRO的HiRISE相機拍攝的火衛二彩色增強圖像[12]。

圖1 由MRO的HiRISE相機拍攝的火衛二彩色增強圖像Fig.1 The Deimos color photos taken by MRO

火衛二的軌道參數及其他特性參數如表1所示[13-14]。

表1 火衛二軌道參數及物理特性參數

2.2 起源假說

關于火衛二的起源，目前科學界還存在爭論，是研究人員迫切想解釋的一個科學問題，因為該問題能夠揭示太陽系形成和演化的過程。目前，主要存在“小行星捕獲”、“火星軌道自然生成”兩類假說[15-17]，其中“自然生成”假說又可分為“自然聚集”假說及“撞擊拋射”假說[18-19]。以上假說的支撐證據及矛盾點如表2所示。

表2 起源假說證據及矛盾點

隨著對火星、火星衛星觀測數據的積累，“撞擊拋射”假說目前更占主流，研究人員還對撞擊拋射過程開展了建模分析[20-23]。目前對于火衛二起源的分析，主要是基于衛星表面特性觀測數據及軌道信息。如要給出更全面的科學解釋，還需要更多更細致的探測活動以開展衛星內部結構研究，如地形地貌高分辨率詳查、就位探測、采樣返回等。

3 地形地貌探測

自20世紀70年代以來，人們對火衛二開展了一系列探索活動，主要包括地面觀測、哈勃望遠鏡觀測以及火星探測器觀測。大多數火星探測器的主要目標是火星探測，其中一些探測器的拓展任務是火星衛星探測，極少數探測器的主任務是火星衛星探測。截至目前對火衛二進行過觀測的航天器見表3[24]。

表3 對火衛二開展觀測的航天器

3.1 水手9號

水手9號發射于1971年，攜帶了11°×14°廣角相機、1.1°×1.4°窄視場相機、紅外輻射計、超紫外光譜儀、紅外干涉光譜儀等載荷，是第一個以足夠分辨率對火衛二成像的探測器，并在飛行過程中利用火衛二進行了導航。由于運行軌道較高，探測器可在小于7 000 km的距離內對火衛二成像，其中最近的照片拍攝于1 200 km距離處，分辨率達到了30 m。這些照片第一次揭示了火衛二的形狀、表面被風化層覆蓋及處于潮汐鎖定的狀態，顯示了火衛二上有許多撞擊坑。根據撞擊坑的數量，推測火衛二的年齡為109年量級[25]。圖2為水手9號拍攝的火衛二圖片[26]。

圖2 水手9號拍攝的火衛二圖片Fig.2 The Deimos photo taken by Mariner 9

3.2 海盜1/2號

海盜1/2號軌道器發射于1976年，攜帶了成像設備，在飛越火衛二時利用立體相機對其進行觀測。在拓展任務階段，海盜2號軌道器把探測火星衛星作為最高的科學目標，多次開展了近距離飛越觀測。海盜2號軌道器觀測到的火星衛星數據是當時世界上最為詳盡的，直到歐洲火星快車(Mars Express)發射，才獲取了更高精度的數據(只針對火衛一)。

海盜2號軌道器通過變軌，對火衛二進行了5次飛越觀測，觀測距離均小于1 000 km，其中最小觀測距離為33 km，圖像分辨率在50 m以內[27]，最高分辨率可達1.3 m/像素。這些照片揭示了火衛二與火衛一的差異，表明火衛二的表面比火衛一的表面光滑得多，也沒有廣泛存在于火衛一表面的線性凹陷。圖3為海盜2在不同距離對火衛二成像的效果[28-30]。

圖3 海盜2在不同距離對火衛二成像效果Fig.3 The photos taken from different distances by Viking 2

通過海盜2號軌道器的觀測數據，還推測出火衛二的體積在1 200～1 500 km3范圍內，大于水手9號估算的數據(1 000 km3)。通過紅外熱像儀，獲得了火衛二表面熱分布特性[31]。

3.3 火星快車

火星快車發射于2003年，在2005年7月至2011年7月，共50余次接近火衛二，獲得了136幅圖像。但探測器距離火衛二較遠，約9 582～14 000 km，因此獲得圖像的最大分辨率約在100 m左右。由于火星快車與火衛二軌道關系，在整個任務期間探測器只獲取了火衛二朝向火星一面的圖像[32]。

成像過程中使用的載荷主要為高分辨率立體相機(high resolution stereo camera, HRSC)、成像光譜儀(OMEGA)，基于觀測數據重新估算了火衛二的體積及密度，并對表面成分進行了研究。圖4為火星快車拍攝的火衛二圖片[33]。

圖4 火星快車拍攝的火衛二圖片Fig.4 The Deimos photos taken by Mars Express

3.4 火星勘察軌道器(MRO)

火星勘察軌道器發射于2005年，利用高分辨率成像科學實驗相機(high-resolution imaging science experiment，HiRISE)、緊湊型火星偵察成像光譜儀(compact reconnaissance imaging spectrometer for mars , CRISM)對火衛二進行了拍照觀測，獲得了分辨率20 m/像素的照片，是首次拍攝到的火衛二彩色高分辨率圖像[34]。MRO拍攝的圖片，展示了火衛二表面顏色變化及撞擊坑的顏色特性，圖像效果如圖5、圖6所示。根據拍攝的照片，對撞擊坑及周邊物質進行了分析，對火衛二表面的光譜反射率梯度進行了估計。

圖5 基于HiRISE數據合成校準的火衛二圖片Fig.5 Deimos photo calibrated based on HiRISE data

圖6 MRO拍攝的火衛二撞擊坑Fig.6 The craters photo taken by MRO

3.5 “曼加里安”號

印度火星探測器(Mars Orbiter Mission, MOM)，又名“曼加里安”號，發射于2014年，其運行軌道為261 km×78 000 km的大橢圓。在運行過程中，利用火星彩色相機(Mars color camera，MCC)載荷對火星衛星進行拍照。火星彩色相機工作在可見光波段，能夠拍攝真彩色圖像，共拍攝了4幅火衛二背面圖片，這是首次利用探測器對火衛二背面成像[35]。圖7為“曼加里安”號對火衛二拍攝的照片。

圖7 “曼加里安”號對火衛二拍攝的照片Fig.7 The photos taken by MOM

此次成像距離比較遠，分辨率比較低，但大致可以看出火衛二背面要比正面光滑，沒有大的撞擊坑。

3.6 其他探測器

由于距離遠、成像分辨率低或探測目的等原因，一些探測器的觀測結果并不能增加對火衛二地形地貌的了解。這些探測器獲取的成果主要有：福布斯2(Phobos 2)在經過火衛二下方時會探測到帶電粒子通量變化及火星磁場擾動，顯示了火衛二與太陽風存在相互作用[36]；好奇號、機遇號、勇氣號均拍攝了火衛二凌日過程圖片；火星全球勘測者(Mars Global Surveyor)，對火衛二表面氣體/土壤塵與太陽風關系進行了觀測和研究[37]；火星探路者(Mars Pathfinder)利用IMP(imager for Mars Pathfinder)設備觀測了火衛二，獲得不同波段的反射率數據，并首次在900～1 000 nm波段對火衛二進行了精細測量[38]。

4 地形地貌研究

科學家利用探測器拍攝的火衛二照片進行了深入研究，獲得了火衛二表面的形貌特征。同時科研人員也大量分析了表面的光譜及反射率特性，對于風化土壤層的特性及成分進行了研究。

4.1 火衛二表面形貌特征研究

Peter Thomas以海盜號拍攝的照片對火衛二表面特征進行了研究[39]，將表面分為風化層、撞擊坑、明亮的反射物質(bright albedo markings，簡稱“亮區”)及塊狀物(blocks)。結果表明：火衛二表面小撞擊坑較少，且撞擊坑底部要么平坦，要么呈現碗狀，平坦的坑底有明顯的坑壁。在1個直徑700 m的撞擊坑周圍分布著許多3～20 m的塊狀物，在一些大的撞擊坑周圍塊狀物尺寸可達數十米，其中最大的可達150～200 m，這些塊狀物成簇出現或松散地排列成300 m長的隊列，最大的塊狀物與平坦的風化層存在明顯界限。表面的塊狀物呈現非常穩定的狀態，并沒有可見的滾動石塊存在。火衛二表面的“亮區”多分布在距撞擊坑10 m以內的范圍內，并形成了整個亮的條帶，大約覆蓋2 km2的區域，推測這層物質應該很薄。雖然火星衛星表面特征都直接或間接地由撞擊產生，但火衛二與火衛一表面特征并不一致，火衛二表面廣泛存在著物質移動(downslope movement)，其內部結構不能通過表面特征呈現。

Peter Thomas利用海盜號拍攝的照片對火衛二朝向火星一側表面上直徑大于1 km的撞擊坑密度進行了分析[40]，同時針對局部區域分析了直徑大于5 m以上的撞擊坑密度，結果表明火衛二撞擊坑密度與火衛一相似。

Hirata等人[9]結合海盜號和MRO的HiRISE相機圖像，對火衛二撞擊坑的分布情況進行了研究，通過評價撞擊坑空間分布的隨機性判斷是否處于飽和狀態。結果顯示火衛二與火衛一表面的撞擊坑密度(crater density)及撞擊坑尺寸-頻度分布(crater size-frequency distribution，CSFD)無顯著差異，大約是月球表面撞擊坑密度的一半。火衛二表面上直徑30 m的撞擊坑分布呈現隨機性，CSFD曲線的斜率為-1.7，其絕對值比火星、月球的數值要小，與Eros、Itaokawa等小行星數值接近。CSFD曲線斜率較小的主要原因是火衛二表面尺寸較小的撞擊坑數量少，這是由于撞擊發生后會引起星體地震且拋射物會緩慢移動。最終研究認為，火衛二是一個布滿撞擊坑的星體，最大的撞擊坑直徑約2.3 km，如果把南極的凹陷也認為是撞擊坑，則最大的撞擊坑直徑為10 km。表面撞擊坑分布呈現隨機特點，因此撞擊坑的年齡既不反映火衛二的生成年代也不反映南極撞擊坑的生成年代。圖8為火衛二表面撞擊坑分布圖。

圖8 火衛二表面撞擊坑分布圖Fig.8 The distribution of craters on Deimos

4.2 火衛二表面風化層特性研究

火衛二表面比火衛一光滑得多，小尺寸的撞擊坑較少，大的撞擊坑也顯示存在被物質填充的狀態，這顯示火衛二表面被某些物質覆蓋了[41]。

M. Noland等人利用水手9號的高分辨率圖片(B-camera)[42]，分析了20°～80°相角下的火衛二表面反射率，結果表明火衛二表面偏暗、紋理復雜，進一步證明了存在風化層。火衛二表面也存在一些反射率偏大的區域(brighter albedo marking)，要比其他區域明顯高30%，這可能是造成表面平均反射率比火衛一大的原因。同時，Noland進一步對火衛二表面的“亮區”進行研究[43]，得到其紋理與其他區域無差別的結論，表明火衛二朝向火星的一面無大尺寸的裸露堅硬巖石。

從海盜號的觀測中發現，火衛二表面存在物質運動，具體表現為風化層會從撞擊坑周邊的“山脊”向下移動。P. Thmoas等人利用海盜號軌道器圖片研究了火衛二表面物質的移動特性[44]，分辨率為1.5 m/像素的圖片顯示出很多撞擊坑被沉積物填充，只有退化的撞擊坑邊緣突出于星體表面，且撞擊坑內部形貌并不對稱，星體表面“亮區”呈現從“山脊”向下延伸的狀態。根據以上特點，推測表面風化層會沿著坡面向低處移動，這也是火衛二表面呈現當前特征的重要因素。建立了多個移動機理假設模型，如果火衛二形成于4×109年前，則估算出的風化層移動速度為5×10-2cm3/(cm·a)。

1986年，Zharkov等人[13]通過對海盜號拍攝的圖像進行深入研究，發現火衛二沒有火衛一上常見的線性凹陷。火衛二表面的主要特征是直徑小于50 m的撞擊坑被一層厚厚的灰塵覆蓋著，這層灰塵使得其表面看起來相當光滑。火衛二表面的風化層平均厚度為10～50 m，許多撞擊坑被填充到5 m的深度。火衛二表面的噴出物比火衛一表面的要多，既有細的(整個表面和撞擊坑內的物質)，也有粗的(巨礫和石塊)，這種表面形態的差異可能是由于火衛二更容易限制撞擊坑形成過程中物質的釋放。此外，火衛二的表面很可能是由比火衛一更弱的束縛材料組成，在撞擊坑形成過程中噴出物質的速度很慢，導致大部分物質再次落回其表面上。火衛二表面的顯著特點是亮物質覆蓋的面積相當大，其形成可能是由于微隕石轟擊造成的碎片，因為非常細的粒子具有很強的反照率。這些亮物質沿著撞擊坑壁向下延伸，形成一層10 cm厚的薄層。

Michael Nayak[45]研究了火衛二撞擊坑產生的模型及演化過程，研究表明體積比較大的拋射物可以傳遞到火衛一表面，但是大部分拋射物又重新積累回火衛二，形成1～2 m厚的均勻覆蓋層，這也可部分解釋火衛二表面的風化層來源。

P. C. Thomas[46]研究了火衛二最大撞擊坑拋射物重新分布模型，對風化層移動速度進行了估算，約10-1cm3/(cm·a)。研究結果表明火衛二上的拋射物會因為星體震動等因素重新分布，即表現為風化層緩慢移動。

針對風化層的形成，M. Fries[47]提出了一種星際塵埃積累與撞擊拋射相結合的假說。該假說既可以解釋風化層積累，也可以解釋火衛二表面光譜特性與含碳物質相似的現象。

4.3 火衛二地形地貌研究小結

截至目前，成像分辨率最高的探測器是海盜號，且圖像數量多，關于表面特性的信息豐富。對火衛二地貌特征的分析主要是基于海盜號圖像開展，輔以少量MRO的圖像，而火星快車拍攝的火衛二圖像分辨率較低且覆蓋區域很少，還不足以基于此開展更深入的研究。因此，科學家們基于海盜號任務和MRO的圖像對火衛二地表的研究是目前最充分也是最可信的。簡言之，關于火衛二地形地貌，研究者們形成的主要研究成果如下：

1)火衛二表面存在撞擊坑、風化層、明亮的反射物質(bright albedo markings)及塊狀物；

2)火衛二表面遍布撞擊坑，撞擊坑密度大約是月球撞擊坑密度的一半，最大的撞擊坑直徑2.3 km(不含南極凹陷)，大部分撞擊坑被厚厚的灰塵覆蓋，且這種覆蓋會朝撞擊坑外圍延伸；

3)火衛二表面分布著尺寸幾米到上百米不等的塊狀物，最大的塊狀物約150～200 m；

4)火衛二表面有較厚的風化層覆蓋，這些風化層主要由細碎物質和灰塵組成，結構松軟，且會沿著坡度移動，最終重新分布。

5 結論

通過調研可以看出，對火衛二開展探測，在揭示早期太陽系形成及演化過程、火衛二起源及演化、與火星之間物質輸送、火星演化、行星形成物質的分布與轉移、小天體表面演化等方面具有重大的科學意義。

自20世紀70年代以來，美國、前蘇聯、歐洲、印度等國對火衛二陸續開展了探測，探測手段包括地面射電觀測、空間天文望遠鏡及深空探測器。由于受到觀測條件限制，大部分研究成果是通過深空探測器獲得的，且所有深空探測器的探測主任務均不是圍繞火衛二開展，沒有對火衛二背面開展過詳細觀測。探測的手段主要是相機成像、光譜分析等遙感手段，且儀器分辨率普遍不高。

對于中國深空探測來說，火衛二是一個良好的探測目標。首先，其具有很高的科學價值；其次，當前已經開展的探測還停留在低分辨率遙感觀測階段，有很多的科學問題尚待探索。因此，中國可以設計針對火衛二的探測任務，具體建議如下：

1)探測任務以火衛二為主目標或者主目標之一，可以和火星探測統籌開展，但在任務設計、軌道設計、有效載荷配置等方面需針對火衛二的特點；

2)首次火衛二探測的任務形式建議為高分辨率全球遙感，大幅提升對火衛二的系統性認知，在科學上獲得更豐富的成果，在工程上為后續任務實施奠定基礎；

3)鑒于火衛二具有硬質結構且表面被風化層覆蓋的地形特點，在全球高分辨率遙感任務成功實施后，建議直接開展火衛二采樣返回任務，在地面對采集的樣品進行細致研究，實現科學認知的跨越式提升。

綜上，通過開展火衛二探測任務，可以獲得難以估計的科學數據，提升中國地外天體探測的科學水平，同時，也可以為小天體探測等深空探測任務提供豐富的技術積累與工程經驗，具有很強的科學和工程意義。