火星水文

火星水文是研究火星表面水的狀態。相較於地球，液態水在火星表面幾乎不存在。火星的水大多鎖在永久凍土和極冠等冰凍圈（Cryosphere），所以在火星表面沒有足夠的液態水可以形成水圈。只有極少量的水蒸氣存在於火星大氣層。
現在火星表面環境因為大氣壓力和溫度過低，會讓液態水蒸發或凝固而無法存在。因此研究人員研究古代火星的水文遺跡，重建火星古代可能存在的海洋。但仍無法解答液態水消失的原因。
目前已有許多直接和間接證據證明火星表面有液態水間歇性存在於表面或地表下；例如河床、極冠、光譜、被侵蝕的撞擊坑和針鐵礦等礦物都直接顯示火星曾經存在液態水。在一篇《地球物理研究期刊》（Journal of Geophysical Research, JGR）的文章中，科學家研究地球南極冰層下的沃斯托克湖後認為液態水可能仍存在於火星。研究人員認為如果渥斯托克湖在永凍冰層出現以前就存在，那該湖可能並未凍結。因此火星如果仍有液態水存在，可能以冰下湖的形式存在於冰冠下。
2015年9月28日，NASA根據火星勘測軌道衛星的探測，現在的火星表面間歇性存在液態水。

水手9號

水手9號拍攝的影像中發現河床、峽谷（包含水手號谷，一個長達4200公里的峽谷系統）、水流侵蝕、鋒面、霧等，首先揭露火星表面曾經有水的證據。之後的海盜號接續水手9號。巨大的水手號峽谷系統命名就是為了對水手9號任務表達敬意。

海盜號

海盜號在火星表面發現許多因為大量水流才能造成的地表特徵，引發學界對火星表面是否有水的觀點革命。巨大的河谷在火星許多地方發現，這些峽谷可看到洪水突破障礙切出深谷，在岩床上留下痕跡且移動數千公里。南半球有大片區域有河道網路顯示曾經有降雨。一些火山的邊緣被認為是因為降雨而暴露出岩石，因為在夏威夷群島的火山也有類似地形特徵。許多撞擊坑的型態看起來就像撞擊物撞入濕泥地；當撞擊坑形成時，土壤中的冰可能融化使表面變成濕泥地在表面流動。正常情況下表面物質在撞擊後會上升再下降，但在火星一些撞擊坑並不會在表面流動，因為周圍有許多障礙。混沌地形看起來像有大量的水流過，在較下游處造成大型的河道。這些水流的規模是難以想像的－可能是密西西比河流量的十倍。地下的火山活動可能曾經融化冰層，大量水流流失以後地表塌陷形成混沌地形。
以下部分影像是從海盜號多張窄視野，高解析度影像拼接而成。部分影像有標上地名。
海盜號登陸器的實驗結果顯示火星在古代和現代都有水存在；在海盜號氣相層析質譜分析儀（Gas chromatograph-mass spectrometer）內加熱的試體釋放出水，但是比例只有約1%。化學分析顯示火星表面過去曾有許多水。部分火星表面的土壤含有硫和氯，可能是古代海水蒸發後留下的。硫元素集中在火星的土層表面，因此可能原因是因為地殼上部份的硫酸鹽被水溶解後向上輸送到地表；這在地球上的沙漠是很常見的現象。這些硫可能與鈉、鎂、鈣或鐵形成硫酸鹽或鐵的硫化物存在。海盜號登陸器的火星表面試體化學實驗結果顯示火星表面礦物有約90%是富含鐵的黏土混合物；其中約10%是硫酸鎂（可能是硫酸鎂石）、約5%是碳酸鹽（方解石）、約5%是鐵氧化物（可能有赤鐵礦、磁鐵礦、針鐵礦）。這些礦物是典型的基性火成岩風化產物，這些礦物是水曾經存在的證據。硫酸鹽礦物內有結晶水，是水在古代曾經存在的證據；維京2號發現相似礦物聚集存在的區域，因為維京2號的位置更北，拍攝到火星冬季表面的霜。

火星全球探勘者號

火星全球探勘者號的熱輻射光譜儀（Thermal Emission Spectrometer, TES）是用來偵測火星表面礦物組成的儀器。礦物成分提供水是否在古代火星存在的資訊。TES調查很大的範圍（約30,000平方公里），發現在尼利槽溝有橄欖石。一般認為早期的撞擊事件形成伊希地平原，造成的斷層暴露橄欖石。橄欖石可在許多種基性火成岩中發現；而水的侵蝕可讓橄欖石產生變成其他礦物，例如針鐵礦、亞氯酸鹽、蒙脫石、磁赤鐵礦和赤鐵礦。橄欖石的發現是火星表面部分地區長期以來極為乾燥的強力證據。橄欖石也發現在其他許多位於北緯或南緯60度左右的露頭。橄欖石已在SNC火星隕石（輝玻無球隕石、輝橄無球隕石和純橄無球隕石）中被發現。後續研究發現富含橄欖石的岩石覆蓋超過11.3萬平方公里的火星表面，是夏威夷島五座火山面積的11倍。
2006年12月6日NASA公開薩瑞南高地（Terra Sirenum）和半人馬山（Centauri Montes）的照片，發現在1999和2001年的照片比較有液態水的證據。
數百條因為液態水造成的溪谷被認為是最近形成的。這些溪谷在陡坡和特定緯度被發現。
以下照片是火星全球探勘者號拍攝的溪谷照片作為範例：
部分火星上的河道顯示曾經存在水流，最有名的是在納內迪谷（Nanedi Valles）；另外在尼爾格谷（Nirgal Vallis）也發現同樣的地理特徵。
火星上許多地方都發現在陡坡上的暗條紋（dark slope streaks或dark streaks on steep slopes），例如撞擊坑壁。陡坡上的暗條紋自水手號任務和海盜號任務開始被研究。這些條紋看起來是一開始形成時是暗色，之後隨著年代變淡色。這些條紋一開始形成時有小而窄的斑點，之後開始變寬且下降數百公尺。這些條紋看起來並未與其他特定地層的物質有關，因為它們並非在一個共同高度上延著山丘開始延伸。雖然這些條紋看起來非常暗，但只有約10%或更少的條紋比周圍物質更暗。火星全球探勘者號發現有新的條紋在1年內形成。
有些觀點被提出以解釋這些暗條紋形成的原因；這些因素也包括水或者是火星上生命的滋長主要被接受的解釋是這些暗條紋來自於覆蓋在較暗物質地層上的明亮物質薄地層山崩而形成。比較亮的塵土在一段時期後在火星整個表面落下。

以下是火星全球探勘者號拍攝的暗條紋影像：
火星部分地區出現倒轉地形（Inverted Relief）；原因是沉積物沉積在河床上之後膠結在一起增加對侵蝕的抵抗能力，之後這區域可能被掩埋，外層覆蓋物被侵蝕撥落後，以前的河床因為對侵蝕能力抵抗較強而留下來。火星全球探勘者號找到這類過程的證據。火星表面許多區域都可發現倒轉地形，尤其是梅杜莎槽溝層（Medusae Fossae Formation）、宮本撞擊坑（Miyamoto Crater）和朱芬塔高原（Juventae Plateau）
以下影像是其中一個例子：

火星探路者

火星探路者發現火星表面氣溫的變化循環。最低溫時候是在日出前（約 -78℃），最高溫的時候則是剛過火星的中午不久（約 -8℃）。如此極端的變化發生在溫度上升與下降最快的地方。在這些地方的最高溫度從不會到水的冰點（0°C），所以火星探路者號確定登陸地點溫度過低使液態水不可能存在。但是液態水如果含多種鹽類的話就可能存在。
表面氣壓每日的變化範圍約0.2毫巴，但每天有兩個最低點和最高點。日平均氣壓從6.75毫巴降低至6.7毫巴，因為這時候有最大量的二氧化碳被凝結在火星南極。地球表面的氣壓大約是1000毫巴，所以火星的氣壓非常低。火星探路者測量到的氣壓過低，因此液態水和冰不可能在火星表面存在。但如果火星的冰是存在泥土中，也許就可以存在很長的時間。
其他的觀測認為火星過去曾經存在液態水。一些位在火星探路者登陸地點的覆瓦狀岩石互相斜靠。因此一般相信古代曾經有強力水流推動岩石周圍直到岩石轉過水流方向。有些卵石是圓的，可能是因為在水流中翻滾。部分地表相當堅硬，可能是因為水流攜帶的礦物造成凝聚。
火星探路者號也發現雲和霧存在的證據。

2001火星奧德賽號

2003年7月，在加州舉辦的一場研討會中，火星奧德賽號團隊公布奧德賽號上的伽馬射線光譜儀（Gamma Ray Spectrometer, GRS）發現了有大量的水存在於火星廣大地區。火星表面以下的水冰量可以充滿兩個密西根湖。在火星南緯和北緯55°到南極和北極點的地表之下有大量的水冰；每一公斤的火星土壤含有500公克的水冰。但在火星的赤道附近，火星的土壤中只含水約2%到10%。科學家相信有大量的水在礦物的結構內，例如黏土和硫酸鹽。以紅外線光譜的資料研究結果顯示有少量的水因為化學或物理因素固定在礦物中。海盜號的登陸器在火星土壤中也發現少量因為化學反應固定在礦物中的水。一般相信，即使火星表面上半部只含有少許水，水冰可能在數英尺下存在。有些區域，例如阿拉伯高地（Arabia Terra）、亞馬遜區（Amazonis quadrangle）和埃律西昂區（Elysium quadrangle）有大量的水。根據探測資料分析顯示火星南半球可能有含冰地層結構。火星兩極地區都有埋在地下的冰，但北極地區因為被季節性存在的乾冰覆蓋，無法看到地下的水冰。當取得完整探測資料後，火星北極已經進入冬季，二氧化碳凝結成乾冰覆蓋在水冰上方。奧德賽號的儀器只能研究深度只有數公尺的土壤，因此火星可能有比我們所探測到更多的水。即使如此，奧德賽號在火星發現的水仍然相當大量。埋在火星土壤中的水含量可能可以淹沒火星0.5到1.5公里深。
鳳凰號火星探測器確定火星奧德賽號先前的發現。鳳凰號在火星表面底下數英吋深處發現水冰，而且水冰至少8英吋深。當水冰暴露在火星大氣層表面時緩慢昇華。事實上，火星暴露在大氣層冰部份是因為鳳凰號的登陸火箭造成的。
數千幅奧德賽號拍攝的影像顯示火星曾經有大量水流在表面流動。有些影像顯示溪流的地形，其他影像中則找到可能在湖底沉積形成的地層，也找到三角洲地形。
多年以來，許多研究人員相信在火星仍有冰川在一些岩石層下，因為岩石能隔熱，讓水冰能存在。線形的沉積物是可能存在被岩石覆蓋的冰川其中一個證據；這些線形沉積物在一些河床底部被發現。沉積物的表面有山脊狀和凹槽狀的物質，而這些物質在一些障礙物周圍轉向。有些地球上的冰川也有同樣的地形特徵；線形的沉積物底部可能和舌狀岩屑坡（Lobate Debris Apron）有關；後來火星快車號和火星偵察軌道器的透地雷達MARSIS和SHARAD證實這地區有大量的冰。
以下影像是由2001火星奧德賽號上的熱輻射成像系統（Thermal Emission Imaging System, THEMIS）拍攝的；這些影像內的地表特徵和液態水現在或過去曾經存在有密切關係：
火星表面有大片區域被水冰和土壤混合的厚而平坦的地層覆蓋。這些富含冰的地層厚達數公尺，而且這些物質的沉積可以使火星表面變平坦；但在這些沉積地區表面卻出現類似籃球表面崎嶇不平的地表特徵。這些區域撞擊坑數量較少也表示這些區域相對年輕。 
火星軌道和自轉軸傾斜角的變化使火星上水冰的分布有明顯變化。在一些時期水蒸氣離開兩極的冰冠進入大氣層，並在較低緯度區域回到火星表面變成霜或雪與土壤混合後沉積。火星大氣層有許多細沙顆粒，而且水蒸氣會附著在這些顆粒上造成沙粒變重而落到地表。當土壤表面的冰昇華成水蒸氣後就離開沙粒；留下的沙粒則有很好的隔熱效果，能保留更下層的冰。
位於一座巨大火山哈德里亞卡山（Hadriaca Patera）附近的道谷（Dao Vallis）被認為當炙熱的岩漿融化火星表面的大量的冰時曾容納大量的冰融化成的水。影像上方在河道左側圓形凹陷的地區被認為是地下水侵蝕造成。
有些大型河谷是發源自混沌地形。這種地形的形成一般認為是因為大量的水從地下被釋放造成地表下限。THEMIS拍攝的混沌地形如以下影像：

鳳凰號火星探測器

鳳凰號探測器確定有大量的水冰存在於火星北半球；這項發現在之前理論已經預測，而且由2001火星奧德賽號上的儀器測定發現。2008年6月19日，NASA公布骰子大小的明亮物質在鳳凰號的機械手臂挖出來的「嘟嘟鳥─金鳳花」（Dodo-Goldilocks）溝槽經過4天後消失。這代表發現的亮塊很可能是曝露後昇華的水冰。即使乾冰在當時也被發現，昇華的速度也比觀測到的要快很多。
2008年7月31日，NASA公布鳳凰號在火星上發現水冰的存在。在初始的樣本加熱循環中，熱與蒸發氣體分析儀（Thermal and Evolved-Gas Analyzer's, TEGA）的質譜儀在樣本溫度達到 0 °C 時偵測到水蒸氣。
液態水無法在火星表面過低的氣壓存在，除非是在地勢最低的地方可以短暫存在。
鳳凰號任務結束後，在科學期刊的一篇論文報告分析結果中提到鳳凰號在分析樣本中發現氯化物、碳酸氫鹽、鎂、鈉、鉀、鈣，可能還有硫酸鹽。高氯酸鹽 (ClO₄) 這種強氧化劑也在火星土壤中被確認；這種化合物如果和水混和可以大幅降低水的冰點，和灑鹽在道路上將水冰融化是類似機制。也許高氯酸鹽現在還有少量存在於火星的液態水中。山溝地行在火星一些區域相當常見的原因可能就是因為高氯酸鹽使水冰融化在陡坡上造成侵蝕。
此外，2008年至2009年初一張鳳凰號著陸支架照片上的一個「斑點」引起許多爭論；許多人認為那可能是水滴或一塊霜。因為計畫團隊內對於那是什麼東西並無共識，因此並未在NASA的任何新聞發布記者會上公開。其中一位科學家認為是鳳凰號在登陸時保持平衡的鹽水袋被推進器潑濺到著陸支架上。鹽份可能被火星大氣層中的水蒸氣吸收，這也許可以解釋鹽水如何在前44個火星日中，溫度逐漸下降的狀況下逐漸蒸發。有些影像甚至顯示一些水滴變暗之後移動和合併，這是那些黑點是液體的強力物理性證據。
鳳凰號視野可及之處是一片大平原，不過這平原上有許多直徑2到3公尺的多邊形構造，每個多邊型之間的邊界是深度20至50公分深的溝槽。這樣地形的由來是因為土壤中的水冰因為溫度熱漲冷縮造成。
鳳凰號上的顯微鏡觀測到火星表面多邊形地區的土壤是由平面狀（可能是一種黏土）和球型顆粒組成。黏土是某些種類礦物和水產生反應後的產物；所以找到黏土就可以證明火星表面曾經有水的存在。目前所發現水冰在火星地表多邊形的中央區域可在地表下數英吋被發現；沿著多邊形的邊緣則至少要在8英吋深以下。當水冰暴露在火星大氣層時，將會緩慢昇華。
火星上的雪被發現是從火星大氣層中的卷雲落下。這些卷雲是在大約-65°C的溫度下形成，因此這些卷雲由水冰形成的可能性遠大於乾冰，因為形成乾冰的溫度要-120°C。這次任務的結果顯示，水冰（雪）被認為在任務之後不久會沉積在降落地點。鳳凰號任務期間測量到的最高溫是-19.6°C，最低溫則是-97.7°C；因此，在該區域的氣溫長期保持在遠低於水的冰點（0°C）以下；而且鳳凰號任務期間是火星北半球的夏季。
鳳凰號任務的資料判讀結果在科學上發表。在資料中顯示，鳳凰號的登錄地點在不久之前的過去曾經是溫暖潮濕的。火星土壤中發現碳酸鈣讓科學家相信鳳凰號登陸地點曾經是潮濕的區域。在季節或時間較長的日夜週期中，液態水在火星表面可能是一層薄膜。火星自轉軸傾斜角的變化程度遠比地球大；因此在火星上多次的潮濕氣候是可能的。鳳凰號的探測資料也確定高氯酸鹽的存在。高氯酸鹽在火星土壤中的比例約千分之幾左右。在地球上高氯酸鹽是某些細菌的食物。另一份論文則宣稱，之前偵測到的雪可能造成水冰的累積。

火星探測漫遊者

精神號和機會號火星探測車找到許多火星古代有水的證據。雖然這兩台探測車原本的設計只預期使用三個月，但這兩台車至今超過六年仍在使用，繼續記錄新發現。
精神號原本預期是降落在一個古代的大湖湖床。但實際探測發現湖床已被岩漿流覆蓋，讓古代的水流證據難以被觀測到。當任務繼續執行，探測車找到許多過去水流的線索。
2004年3月5日，NASA宣布精神號在探測的韓弗瑞（Humphrey）岩石找到水的證據。聖路易斯華盛頓大學地球與行星科學系主任，雷蒙·阿維森（Raymond Arvidson）在NASA記者會宣布：「如果我們在地球上找到這塊岩石，我們會認為這塊火山岩被水流短距離移動過」（If we found this rock on Earth, we would say it is a volcanic rock that had a little fluid moving through it.）。另一台探測車機會號找到的岩石則是由岩漿組成，這塊岩石有一些明亮的礦物，可能是結晶的礦物在裂縫中。假如這是正確的，這些礦物最可能是形成後被帶入岩石或在較大岩石與水作用後被水溶解。
2007年12月當精神號拖著損壞的後輪行駛時，該損壞的車輪在火星表土刮出痕跡，顯示一小塊被視為火星曾有適合古代微生物環境的證據。這個特徵類似地球上從溫泉流出的水或水蒸氣與火山岩反應的產物，在地球上這類地區通常是大量微生物聚集的地方。探測車計畫首席科學家史蒂夫·斯奎爾斯（Steve Squyres）在美國地球物理聯盟（American Geophysical Union, AGU）的一場會議說：「我們對於這個發現相當興奮」。這個區域有大量的二氧化矽－玻璃的主成分。研究人員總結這些明亮的礦物的形成有兩個可能原因：第一個是溫泉沉積物造成，當水在一處溶解二氧化矽後帶到另一處沉積（如間歇泉）。第二個是酸性水經由岩石縫隙上升，剝去岩石的組成礦物，留下二氧化矽。斯奎爾斯對BBC解釋說：「最重要的是，無論它是否是一個假設，這暗示對於古代火星的適居性是大同小異」。溫泉提供可以使微生物孳生的環境，而且二氧化矽沉積物可以封存和保留這些微生物。斯奎爾斯又說：「你可以去地球上的溫泉和火山噴氣孔；這些地方都充滿微生物」。
機會號則是被控制行使到一個被軌道器探測出有大量赤鐵礦的地區；赤鐵礦的形成經常是因為水。當機會號降落在這些沉積岩上，發現到許多可容易被觀測到的赤鐵礦小球。在這幾年觀測中，機會號傳回大量火星古代可能有廣大面積被液態水淹沒的證據。
在2006年3月一個新聞記者會上，科學家們討論關於火星岩床和液態水的證據。他們提出以下原因來解釋岩石中一些經過磨損後可見的小而長的空洞（見以下最後兩個圖）：這些空洞可能是所謂的「晶洞」。晶洞的形成是因為岩石基質內的結晶因為侵蝕作用而被移除留下。影像內的部分盤狀特徵內有某些種類的礦物，尤其是硫酸鹽類。此外，任務成員還公開第一張由穆斯堡爾譜儀觀測岩床資料的光譜。從酋長岩（El Capitan）的鐵光譜中發現黃鉀鐵礬。這種礦物含有氫氧化物離子，這指出當礦物形成時水是存在的。微型熱輻射光譜儀（Miniature Thermal Emission Spectrometer，Mini-TES）觀測船長岩的資料發現大量含有水的硫酸鹽類。

火星偵察軌道器

火星偵察軌道器的高解析度成像科學設備（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）拍攝許多照片，這些照片提供火星表面曾有大量液態水流動的證據。一個主要發現就是找到溫泉的證據。溫泉可能維持火星上的生命，而且可能保留火星古代生命的化石。
在2010年1月一篇《伊卡洛斯》的論文提到水手號峽谷周邊地區有長期維持降水的強力證據。這區域的礦物形成都和水有關。同樣的，大量的小支流也指出有大量的降水，因為在地球上相同氣候條件的區域也出現類似地理特徵。
火星有些地方出現倒轉地形（Inverted Relief）。在這些地方，河床的位置是比周圍高的，而非形成峽谷。這些倒轉的河道可能是因為大岩石的沉積或是鬆散物質凝結。在以上兩種情況下周圍區域的侵蝕將會形成遠離舊河道的山脊，可以增強對侵蝕的抵抗。以下由HiRISE拍攝的影像顯示舊河道翻轉成彎曲的山脊。
在一篇2010年出版的論文，有許多科學家贊同在宮本撞擊坑尋找生命，因為倒轉的河道和礦物是以前水曾經存在的證據。
研究人員利用來自火星全球探勘者號、2001火星奧德賽號和火星偵察軌道器資料找到分布很廣的氯化物鹽類礦物。氯化物通常是溶液溶解礦物最後的產物。以下一張影像顯示在Phaethontis區一些沉積物的狀態。這些證據表示這些沉積物是富含礦物的水蒸發後留下的。湖泊可能在火星表面大範圍存在。碳酸鹽、硫酸鹽和二氧化矽會在蒸發前先沉澱。硫酸鹽和二氧化矽已被火星探測車發現。氯化物鹽類存在的地區可能曾經有許多種生命形式。因此，這樣的區域可能保存遠古火星生命的遺跡。
火星上許多地方的岩石多有明顯地層構造，哥倫布撞擊坑（Columbus Crater）是其中一個有地層構造的撞擊坑。火山、風或水等許多地質作用會讓岩石出現分層構造。火星許多地方的岩石都有地層構造。科學家對於在火星上找到因為大量水流而形成的地層構造相當興奮。
有時候岩石各層會有不同顏色。火星上的淺色調岩石形成原因跟水合礦物，如硫酸鹽有關。機會號以數個儀器仔細觀察這樣的岩層。有些岩層可能是由細顆粒土壤形成，因為這些岩石似乎會分裂成細顆粒塵埃；相對的，分裂成大塊岩石的地層則可能明顯較堅硬，而這些岩層可能是由玄武岩構成。玄武岩在火星各地都可被發現。軌道探測器上的儀器在一些岩層發現黏土（頁矽酸鹽）。科學家對於發現水合礦物和黏土相當興奮，因為這些都是和水有關的礦物。黏土和其他水合礦物存在的地方可能是適合尋找生命存在證據的地方。
以下由HiRISE拍攝的影像是許多火星表面地層的例子。
火星表面有很大面積的區域覆蓋一層可能是水冰和塵埃的混合物。這層數公尺厚，富含水冰的沉積層使火星表面變平坦，但這些區域仍然有類似籃球表面的粗糙地表構造。因為這些區域很少撞擊坑，是相對年輕的區域。以下由HiRISE拍攝的影像可見這類區域的各種狀態。 
火星軌道和自轉傾角的變化造成水冰分布的明顯變化，這相當於從極區到相當於美國德克薩斯州的緯度。在一些時期水蒸氣會從極區離開進入大氣層；並在比較低緯度地區變成霜或雪後和泥沙混合沉積。火星大氣層有大量的細顆粒塵埃，在水蒸氣凝結在這些顆粒後因為重量而下沉到地面。當水冰從淺地層進入大氣，將會留下泥沙，這些留下的泥砂能阻隔剩餘的冰阻止冰的昇華。
HiRISE 拍攝許多可能是水流在近年造成的山溝；許多山溝被拍攝多次影像以觀察是否有發生變化。有些山溝發生變化，部分科學家認為可能是這幾年中液態水造成的；但也有許多人認為可能是乾的泥沙流。這些是由火星全球探勘者號首先發現。
其他理論認為這些山溝或河道的形成是因為風的侵蝕、液態二氧化碳或液態甲烷。
以下影像是HiRISE拍攝的數百個被研究過的山溝的影像。
海盜號軌道器拍攝到峭壁周圍有許多堆疊起來的物質長期以來一直讓科學家感興趣；這些岩石碎片的沉積物被稱為舌狀岩屑坡（lobate debris aprons, LDAs）。這類地形是向外突起，並且有從懸崖或陡坡起源的緩坡地形；這代表流動是從陡峭的懸崖開始。此外，舌狀岩屑坡可以看到類似地球上岩流（冰川石流，Rock glacier）造成的地表線理。最近研究人員分析火星偵察軌道器的淺地層雷達（Shallow Radar, SHARAD）觀測資料，發現強力證據顯示，在希臘平原和北半球中緯度的蛇狀岩屑坡是覆蓋有薄岩石的冰川。火星偵查軌道器的雷達接收到來自舌狀岩屑坡頂部和底部的強烈反射坡，代表純水冰造成LDA形成的阻礙（在兩個反射坡之間）。根據鳳凰號的實驗和火星奧德賽號的觀測資料，我們現在知道水冰可以在火星高緯度區域地表下存在。在舌狀岩屑坡發現水冰代表水甚至可以在低緯度下存在；未來的火星殖民可以直接向下挖冰而不用到高緯度取水冰。而且LDA底下水冰的優勢是很容易使用軌道器發現與測繪其位置。舌狀岩屑坡在北緯38.2°的佛勒格拉山（Phlegra Montes）找到；而鳳凰號降落的地點是北緯68°，所以在舌狀岩屑坡發現水冰大幅增加人類未來在火星居住的可能性。探測器在火星赤道附近降落遠比在極區降落容易，所以人類未來在火星赤道附近殖民的可能性增加。
以下影像是HiRISE拍攝的舌狀岩屑坡範例：
2009年9月在科學期刊上的一篇論文報告一些火星表面的新撞擊坑暴露高純度的水冰；在這之後冰就昇華進大氣層。這些冰存在於只有數英呎深處。這些冰是使用火星偵察軌道器上的火星專用小型偵察影像頻譜儀（Compact Imaging Spectrometer for Mars, CRISM）確定的。 這些冰其中3處是在Cebrenia區被找到；分別是：55.57° N, 150.62° E; 43.28° N, 176.9° E; and 45° N, 164.5° E。另外2處則是在Diacria區：46.7° N, 176.8° E and 46.33° N, 176.9° E。這個發現顯示未來火星殖民可以從許多地方取得水源；這些冰可以挖出後溶化，再電解成氫和氧作為火箭燃料之用。

好奇號

2013年，9月26日，美國航空航天局科學家報告，火星探測車好奇號發現火星土壤含有豐富水分，大約為1.5至3重量百分比，顯示火星有足夠的水資源供給未來移民使用。

圓柱節理

2009年HiRISE的影像中發現火星岩石的圓柱節理。這種節理必須要有水才能形成。為了形成圓柱節理的平行裂縫，多次的冷卻是必要的，而水是最可能的選項。科學家估算出水必須間歇地存在數月至數年。

淺色調沈積地層

HiRISE的大量影像中可看出表面有大面積的淺色調沉積地層（light-toned layered deposits）。這些30-80公尺深的沉積物被認為是因為水的流動而形成。這些地區有古代河道系統的證據。更進一步以MRO上的火星專用小型偵察影像頻譜儀（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer）觀測化學組成發現與水相關的礦物：蛋白石（水合氧化矽）和硫酸亞鐵。這些礦物會在低溫酸性溶液中和玄武岩產生化學反應形成。以上特徵顯示淺色調沈積地層是火星在赫斯伯利亞紀有長時間的降水和地表水流的證據。

火星水的來源

火山噴發時會分出富含水蒸氣和二氧化碳的氣體。因此早期火星大氣因為火山噴發的關係，厚度超過地球大氣。從火山噴出的水蒸氣可能足以使火星表面被120公尺深的水淹沒。此外，大氣中大量的二氧化碳會吸收紅外線的熱能，產生溫室效應造成火星溫度上升。所以塔爾西斯的熔岩噴發可能使遠古的火星跟地球很類似。古代火星可能有濃密大氣、海洋、湖泊存在。
以下影像是來自不同探測器的火山特徵。

表面薄冰

2005年7月28日，ESA公布火星上一個撞擊坑被水冰部分填滿；部分人士甚至推測這個發現是一個「冰湖」。該撞擊坑的照片是由火星快車號（Mars Express）上的高解析度立體相機（High Resolution Stereo Camera，HRSC）拍攝；影像中顯示明顯的一層冰在北方大平原某個當時未命名，位於北緯70.5°，東經103°的撞擊坑。這個撞擊坑直徑約35公里，深度約2公里。
撞擊坑底部和冰層表面高度差約200公尺。ESA的研究人員認為主要原因是因為冰層下部分可見的沙丘。雖然科學家沒有提出進一部理論指出這是冰湖，但目前證據可以證明這是水冰，而且這一區水冰在火星上是全年存在。水冰和永久凍土的沉積物可在火星表面多個地方被發現。

赤道區的凍結海洋

火星南半球的埃律西昂平原（Elysium Planitia）已經發現一些與流冰有關的地表特徵。這些被觀測到的片狀區域約有30公里長和30公里寬，位於一些河道之中；而這些河道位於深度和寬度相當於北海的平原上。這些片狀區域有破碎與旋轉的特徵，和其他熔岩形成的片狀區域有明顯差異。水流的來源被認為是來自附近科柏洛斯槽溝（Cerberus Fossae）的斷層，估計該斷層噴出水的時間維持200至1000萬年，但並不是所有研究人員都同意這說法。

冰川

冰川在火星表面廣大地區形成許多可以可以被觀測到的地形特徵。這些地區大多在高緯度，尤其是Ismenius Lacus區被認為仍然有大量的水冰。最近的證據讓許多行星科學家相信水冰仍然在火星表面以冰川形式存在，且表面覆蓋一層可以隔熱的薄岩石。2010年三月科學家釋出在都特羅尼勒斯桌山群（Deuteronilus Mensae）的雷達探測影像，在該區找到冰存在於數公尺岩石下的證據。一般相信冰川是和銳蝕地形（Fretted terrain）、許多的火山、甚至是一些撞擊坑一起出現。冰川表面上殘餘物的頂端顯示冰移動的方向。一些冰川的表面因為底下的冰昇華的關係而相當粗糙。冰直接昇華成水蒸氣且留下空洞使冰川上的物質坍塌進空洞。冰川並非只有冰，而是帶有許多岩石和表土，冰川也會丟下其攜帶的物質形成類似山脊的地形，被稱為冰磧（moraine）。火星有些地方有許多扭曲的冰磧群；可能是因為冰磧形成後又因為其他的運動而造成。有些大塊的冰從冰川掉落並且埋在地表以下，當這些冰溶化時或多或少留下一些空洞，在地球上這類地形被稱為壺穴。在紐約州的蔓苳雙湖公園（Mendon Ponds Park）可見到一些相同地質作用造成的壺穴。以下HiRISE拍攝莫羅撞擊坑（Moreux Crater）的影像就顯示可能的壺穴地形。
其他影像顯示許多種與冰川存在有關的地形特徵。

極地冰冠

一般相信火星的北極冰帽（北極高原，Planum Boreum）和南方冰帽（南極高原，Planum Australe）會在冬季形成厚冰層和在夏季部分冰冠昇華。火星快車號的資料顯示，2004年時火星南極冰帽平均厚度約3公里，由水冰和乾冰組成，乾冰的組成比例與緯度有關。冰帽是85%乾冰和15%水冰組成。火星冰帽的第二個組成部分則是從火星冰帽下降到附近平原的陡坡，幾乎都是由水冰形成。第三個組成部分則是圍繞在外側的廣大永久凍土層，從斜坡底往外延伸數十公里。NASA的科學家計算如果火星南極冰帽的水冰全部融化，將可淹沒火星表面，水深11公尺。
2009年根據MRO上的雷達測量資料計算出火星北極冰帽的水冰體積約為82.1萬平方公里。這相當於格陵蘭30%的大陸冰川或者覆蓋火星表面5.6公尺（用北極冰帽體積除以火星表面積）。

地表的冰

許多科學家長年以來認為火星表面部份區域很像地球上的冰緣（Periglacial）區，或者也可以說這些區域就是永久凍土。許多觀測顯示有冰層存在於這類地區底下。在高緯度地區常可見到所謂的「圖案地」（Patterned ground），可以見到許多種不同的形狀，如條紋和多邊形。在地球上這種地形是因為土壤中的水分凍結和融化而引起。其他還有許多證明火星地表下有大量水冰的證據，例如圍繞在銳利地形特徵的區域軟化。地表下有冰的證據除了地表上明顯特徵以外，2001火星奧德塞號的伽馬射線光譜儀（Gamma Ray Spectrometer, GRS）的觀測結果和鳳凰號火星探測器的直接探測也提供許多證據。
火星有些區域有許多類似地球上熔岩流過冰凍地表形成的椎狀地理特徵。熔岩的熱會將冰融化，使水冰變成水蒸氣。水蒸氣的強大力量穿過熔岩形成椎狀特徵。在以下影像，大型的椎狀物是因為水蒸氣穿過厚熔岩層而形成。

貝狀地形

火星部分地形有貝狀沉降的特徵。這樣的特徵被認為是富含冰沉澱物的殘餘，貝狀是因為冰從凍土中昇華後留下的。這些覆蓋物可能是當火星自轉軸改變造成氣候變化時，從大氣中以冰的形式附著在塵埃上降下。這些貝狀特徵有數十公尺深和長度延伸約數百至數千公尺，而形狀幾乎都是圓形或長橢圓形。有一部分地形看起來是因為河流造成大規模凹坑地形；造成這種地形的原因可能是水冰從縫隙中昇華。在貝狀地形可以看到許多多邊形裂縫，是冰凍地表的特徵。

來自火星的樣本

現在已經確定在地球上找到的隕石有超過三十塊是來自火星。這些火星隕石讓科學家有難得的機會分析火星的岩石。有些火星岩石顯示它們在火星時是曝露在水中。
1983年一篇作者是 M. R. Smith 等人的論文表示，被稱為 SNC （Shergottites, Nakhlites, Chassignites）群的火星隕石是來自火星；證據是來自儀器分析和放射化學的中子活化分析。他們發現 SNC 隕石的化學、同位素與岩石學特徵都符合火星的岩石，數年後再由 Treiman 等人以類似方法進一步確認。之後在1983年下半年， Bogard 等人的研究顯示輝玻無球隕石（Shergottites）中許多種稀有氣體的同位素比例與海盜號在1970年代中期探測火星大氣層的資料相符合。
2000年一篇 Treiman, Gleason and Bogard 等人的論文研究當時已經發現的14顆來自火星的 SNC 群隕石；他們在文章中表示：「這些 SNC 群隕石有少許可能性並非來自火星，如果這些隕石來自其他行星的岩石，那應該正如我們所理解的，應該比例與火星大幅度相同」。 
有些火星隕石是含玄武岩的輝玻無球隕石。這些看起來含有水合碳酸鹽和硫酸鹽的礦物可能在被彈入太空時暴露在水中。這代表這些隕石還在火星時是在水中的。第一個輝玻無球隕石叫做休格地隕石（Shergotty meteorite）是1865年落在印度休格地（Sherghati）。
另一種隕石，輝橄無球隕石（Nakhlites）則是在大約6.2億年前暴露在水中，並在約1075萬年前因為小行星撞擊而被彈出火星，約1萬年前落到地球。目前已知7顆輝橄無球隕石。第一顆輝橄無球隕石是1911年落在埃及亞歷山卓的奈克拉隕石（Nakhla meteorite），重量約10公斤。最新發現的輝橄無球隕石是2003年12月15日在南極洲被發現。
1996年時確認許多火星生命曾經存在於火星上的證據。1996年時一群科學家報告在火星隕石ALH 84001發現化學化石（chemical fossils）。但有許多研究對於該隕石中是否有化石有許多爭議。例如已經發現許多在ALH 84001內的有機化合物其實是在地球上的。一篇發表在《Geochemical and Meteoritic Society》的論文表示，使用更高解析度的電子顯微鏡可能會比13年前的研究更好。

湖

有許多湖底盆地在火星上被發現。許多湖的大小與地球上最大的幾個湖，如貝加爾湖、黑海、裡海相當。這些湖泊的水則來自於發源自南方高原的峽谷系統。一些湖泊被認為是因為降水而形成，其他的則被認為是因為地下水而形成。
2010年1月發表的研究認為火星在赤道的部分區域有直徑約20公里的數個湖泊。雖然早期的研究顯是早期火星有一段溫暖潮濕的時期，這些湖泊是在赫斯伯利亞紀形成。應用火星偵察軌道器的高解析度影像，研究人員認為早期火山活動的增加、撞擊事件或火星軌道的變化讓溫暖時期火星的大氣層足以溶化大量地表的冰。火山也許放出氣體暫時使火星大氣層氣體含量增加，吸收較多來自太陽光的能量使溫度升高到足以讓液態水存在。在這個新的研究中，河道在連接湖底盆地的阿瑞斯谷附近被發現。當湖泊被水充滿，湖水將溢流形成河道進入較低區域，使另一個湖泊形成。這些湖泊將會是尋找現在或過去火星曾有生命證據的地方。

湖造成的三角洲

研究人員發現一些由火星湖泊形成的數個三角洲；這是火星曾經有大量水的主要證據。三角洲必須在長時間下有足夠深的水才能形成，所以古代火星應該有大量穩定的水以避免沉積物被沖刷殆盡。湖泊造成的三角洲在火星上是很常見的地理特徵。以下圖片是三角洲的例子：

海洋存在與否的爭論

火星海洋假說推斷火星表面曾有三分之一被海洋覆蓋。這假設的古代海洋，稱為Oceanis Borealis可能在約38億年前存在於現在的北方大平原。早期的火星可能有較現在溫暖的氣候和較厚的大氣層，提供液態水可在火星表面存在的環境。

觀測證據

現代火星許多地理特徵是火星曾經存在海洋的證據。火星的溝渠網會合併入一個較大的河道，這暗示有液態水進行侵蝕作用，類似地球的舊河道。有些約25公里寬和數百公尺深的巨大河道顯示水流似乎是從南方高原的地下水層流入河道最後進入北方平原。
在地球物理研究期刊發表的一篇論文揭露古代的火星被認為有更密集的河道。火星上峽谷最密集的地區可以和地球類似區域相類比。該研究團隊開發一個電腦程式，以尋找U形地形結構的方式來確定峽谷位置。大量的峽谷系統是火星古代有降雨的證據。火星全球的峽谷分部模式則可用火星曾在北半球有個廣大海洋解釋。北半球曾有海洋的假說也可以解釋為什麼火星峽谷系統有個南方分布邊界。火星的最南方區域位於存水區最遠處，可能只有極少降雨量，無法形成峽谷；火星南方缺少降雨也可以解釋為什麼火星的峽谷越往南方就越淺。
火星北半球大部分地區地勢比火星其他區域明顯低很多（參見火星分界），而且極為平坦。在這些區域邊緣的地質和地理特徵指出這些區域是古代的海岸線。海平面一定是萬有引力的等勢面。經過因為火山活動造成極點飄移的校正後，火星的古代海岸線也符合重力等勢面。火星衛星雷射測高儀（Mars Orbiter Laser Altimeter, MOLA）精確測定火星表面的高程後，發現火星古代的分水嶺覆蓋火星表面三分之一。

理論

液態水要能在火星表面存在必須要有較溫暖氣候和較厚的大氣層。現在的火星氣壓只在地勢較低處剛好超過三相點的壓力（6.11百帕）；在地勢較高處只有水冰和水蒸氣能存在。火星表面的年平均地表溫度少於210° K，遠低於能使液態水存在的溫度；但是，火星早期也許有適合液態水在火星表面存在的條件。
最近的模擬計算顯示，火星古代可能的海洋水量與地球海洋的水量相當。
火星古代海洋的水可能逃逸到大氣或凝固在南北極冰帽，也可能在土壤之中。

相反意見

火星古代是否存在海洋在許多科學家之間引起爭議。火星偵察軌道器的高解析度成像科學設備在火星古代海洋發現大型的圓石塊，但這些圓石塊應該是只在細顆粒泥沙中被發現。這些地表特徵對於火星古代是否有海岸線造成挑戰；這也可能是因為火山而形成。

火星所含水量維持生命的可能性

就目前人類所知道的生命型態都需要水。一般相信火星曾經有大量的水可以形成湖泊和大規模的峽谷。在火星地表下已發現大量凍結的水冰。儘管如此，仍然有許多尚待解決的課題：火星液態水存在火星表面的時間、液態水是否曾經存在火星表面、是否有過適合生命存在的特殊環境、火星生命在火星的環境轉變成對生命不利以後是否還長期存在、火星生命能否存在於高鹽分和強酸環境，以及火星表面的水是否存在足夠長的時間讓生命足以發展和演化。
火星許多區域長時期都相當乾燥，否則橄欖石應該已被水分解；另一方面，在火星許多地方發現的黏土和硫酸鹽表示火星表面曾經有液態水。硫酸鹽的存在引出一些問題：硫酸鹽是在酸性環境中形成的，因此這引發生命是否能在酸性環境中生長的問題。但是，生命能否在酸性環境中出現也是未解決的問題。含有大量鹽的土壤可能是生命存在的阻礙。鹽長期以來被人類用來作為防腐劑，因為許多生物不能存在高濃度鹽水中（嗜鹽生物是例外）。鳳凰號在火星土壤中發現高氯酸鹽，一種高氧化性的化學物質。雖然一些生物會利用高氯酸鹽，但對於大多數生物而言這是有毒物質；其他研究人員表示火星某些區域可能對於生物的毒性較低。碳酸鹽並不會在酸性溶液中形成，但是在落到地球的火星隕石中可以找到。另外鳳凰號火星探測器和火星偵察軌道器的CRISM光譜資料中也發現碳酸鹽的存在。
火星探測漫遊者團隊中的班頓·克拉克（Benton Clark III）認為火星如果曾經存在微生物，也許可以用幾百萬年時間適應環境。確實，一些生物確實可以用一段短時間適應極端環境。在地球上永凍層50公尺深處的研究發現，一半在一千萬年前死亡的微生物可以從放射性同位素的衰變累積足夠的輻射；但如果生物每隔數百萬年重新出現，生命體本身將可以自我修復，尤其是DNA；其他科學家也同意這一點。在地球上一些極端環境中發現生物的存在讓人類對於在火星上找到生命更加抱持希望。地球上的微生物可以在加拿大的北極區或南極冰川下三公里處生存，因此也可能有微生物在火星的冰冠底下生存。在1980年代有人主張微生物可能可以在地表下數公尺處生存；今日我們知道有多種微生物可以在地下超過一公里深處存活。有些生物可以利用火山活動是放出的甲烷、氫、硫化氫等氣體維生。火星可能曾經有廣泛的火山活動；因此火星古代如果有生命，可能會在靠近火山的區域或者是可以保留高熱岩漿的地下區域。有些生物可以生存在玄武岩（火星上最常見的岩石）內，並產生甲烷。目前已有對火星上的甲烷進行研究。最近有人主張火星上的甲烷有部份是因為火星上的生物產生的，因為甲烷無法在火星大氣層中長期存在。有些生物會以硫化物為食物；在火星上大片區域也能找到相同的硫化物。部分科學家主張有許多群生物可以在靠近火山的高地熱區存活。研究顯示有些種類生物可以在極高溫(80° to 110°C)下存活。因為火星上曾有許多火山活動，有人認為火星上可能還有尚未完全冷卻的區域。地下的熔岩管道也許可以將地下的冰溶化，之後水流往地表。類似黃石國家公園內溫泉遺跡的地理特徵已經被火星偵察軌道器發現。和溫泉相關的礦物，如蛋白石和矽石已經被精神號火星探測車發現，火星偵察軌道器的影像中也發現相關礦物。奧林帕斯山等火山被認為在火星上是相對年輕的地質構造，但目前在這些火山表面並未發現高溫區域。火星全球探勘者號使用TES對火星地表進行大量的紅外線影像攝影。火星奧德賽號的THEMIS也使用紅外線對火星表面進行攝影以測定地表溫度。  
火星的大氣層極為稀薄；但仍然有水蒸氣。地球上有些種類生物可以在類似的環境下生存。國際太空站內一個叫做Expose-E的實驗中發現，麗石黃衣（Xanthoria elegans）這種地衣可以在接近真空的狀態下存活18個月。
液態水在火星表面存在的可能性已經有相關實驗進行過。雖然液態水在火星表面可能會立刻沸騰或蒸發，湖泊大小的水體可能會快速被一層冰覆蓋，而這層冰可以減少蒸發。如果水冰上被塵土或其他沉積物覆蓋，冰下的水就可以保存一段時間，甚至可以成為在冰下流動的冰下河。大量的水可能會因為小行星的撞擊而流出；因此有的研究認為有些火星生命已經在火星存活幾百萬年，牠們可以靠著彗星或小行星的週期性撞擊使冰溶化的過程中從休眠恢復並存活數千年；但如果撞擊帶走水，液態水就可能長期在火星表面消失。一般認為當撞擊事件可以造成巨大洪水，使火星上的巨大河谷在短時間（可以只有數天）內形成。現在一般認為火星曾有大量的水是因為有許多巨大的河谷的存在；也許火星的河谷並不像地球的河谷需要數億年的時間形成。在美國華盛頓州東部的巨大河谷系統相當類似許多火星河谷；而該河谷可能是因為古代一個因為巨大冰牆形成的堰塞湖潰堤形成的巨大洪水沖蝕，在短時間內形成；因此現在的火星可能無法包含大量的水，也無法提供足夠的水讓生命有夠長的時間存在。
我們知道生物可以適應環境的變化。有一種土壤中的變形蟲，Naegleria gruberi可以快速長出兩條鞭毛來游泳。但周圍環境變得乾燥時，它可以變成一個硬囊腫以保持適度和溫度以再次變成變形蟲。
研究顯示在火星土壤中發現多種可以抗凍的鹽類，可以讓水在冰點下數度仍保持液態。有的計算顯示少量的液態水也許可以在火星表面數個地方存在數小時。有些科學家考慮隔熱和壓力的狀況進行計算，結果顯示液態水可以在一些地區存在十分之一個火星年之久；其他研究人員則是預測液態水只能存在2%火星年的時間。無論哪個結果，這樣的水量已經足夠讓一些耐乾燥的生物生存。這些耐乾燥的生物也許不需要大量的水；在地球上已經發現一些生物可以生存在極薄的液態水中，而這些水是位在冰凍區。2009年12月，有研究顯示液態水可以在水星的白天形成雪。當太陽的熱能加熱冰，冰可能會加熱和冰一起存在的土壤；這些被加熱的土壤將可以儲存熱能，融化冰形成水。這樣的過程已經在地球的南極洲被發現。足夠維持生命的水可以在物理、化學和生物的過程中形成。

愚人節玩笑

2005年4月1日，NASA官方網站有張圖是「火星上的水」，但實際上是一杯水放在兩條「Mars Bar」牌巧克力棒上。