火星水文

現今火星上幾乎所有的水都是以冰的形式存在，此外大氣層中也分布有極少量的水汽，被認為是淺層火星土壤中低流量的液態滷水，也稱為重現性斜坡線，可能是山坡上流沙滑落形成的黑色條紋。在地表，可看到水冰的唯一地方是北極冰蓋，而火星南極永久二氧化碳冰蓋下和環境更溫和的淺層地表下也可能存有豐富的水冰。現已在火星表面或近地表下探測到超過500萬公里3的冰，足以覆蓋整個行星表面35米（115英尺）深，更多的水冰可能還被鎖在地下更深處。

現今火星表面可能會短暫地出現一些液態水，但僅限於來自大氣層和薄膜的微量溶解水分，這對已知生命來說是具有挑戰性的環境。行星表面不存在大型液態水體，因為那裡的平均氣壓只有610帕斯卡（0.088磅每平方英寸），這一數字略低於水在三相點的蒸氣壓。在火星平均條件下，表面變暖的水會升華，這意味著直接從固體轉變為蒸汽；相反，冷卻的水會凝華沉積，意味著直接從氣體轉變為固體。

大約在 38 億年前，火星可能擁有更稠密的大氣層和更高的表面溫度，允許地表存在大量的液態水，可能還包括一片覆蓋了火星三分之一表面的海洋。在火星歷史的最近一段時間裡，水顯然也以不同的間隙在短時間內流過地表。好奇號火星車探索的蓋爾撞擊坑中的埃俄利斯沼就是一座古淡水湖的地質遺蹟，可能是微生物生命宜居的環境。

目前火星上的水資源貯量可通過太空飛行器成像、遙感技術（光譜測量、雷達等）以及著陸器和漫遊車的表面勘查來評估。過去水的地質證據包括洪水蝕刻出的巨大溢出河道、古河谷網、三角洲和湖床以及探測到只在液態水中形成的地表岩石和礦物質。許多地貌特徵表明，在最近和現在的一段時期中，存在地面冰（永久凍土）和冰川中冰的移動；懸崖和隕石坑壁上的沖溝和暖坡線表明，水流仍在繼續塑造著火星表面，只是程度遠低於古代。

雖然火星表面周期性地潮濕，並在數十億年前可能適合微生物生活，但現今的地表環境極度乾燥且溫度低於冰點，可能對生物體構成了無法逾越的障礙。此外，火星缺乏厚厚的大氣層、臭氧層和地磁場，因此太陽和宇宙輻射可以暢通無阻地撞擊地表，電離輻射對細胞結構的破壞作用是影響地表生命生存的另一項主要限制因素。因而，發現火星生命的最佳潛在地點可能是地下環境。在火星上已發現了大量的地下冰，檢測到的水量相當於一座蘇必利爾湖。2018年，科學家們報告說，在火星南極冰蓋下1.5公里（0.93英里）處發現了一座冰下湖，水平範圍約20公里（12英里），這是火星上第一個已知的穩定液態水體。

了解火星上水的分布和狀況對評估火星孕育生命和為未來人類探索提供可用資源的潛力至關重要。正因如此，「跟隨著水」成為美國宇航局火星探索計劃（MEP）在 21 世紀頭十年中的科學主題。美國宇航局和歐空局的探測任務，包括 2001火星奧德賽號、火星快車號、火星探測漫遊者、火星勘測軌道飛行器和火星鳳凰號著陸器都提供了有關火星上水的豐度和分布資訊。火星奧德賽號、火星快車號、火星勘測軌道飛行器和火星科學實驗室登陸器好奇號漫遊車仍在運行，並且不斷有所發現。

2020年9月，科學家證實在火星南極地區冰層下存在數座大型鹹水湖。根據其中一位研究人員的說法，「我們確認了相同的水體（正如早期初步探測中所建議的那樣），但我們還在主要水體周圍發現了另外三處水體......這是一個複雜的系統」。2021年3月，研究人員報告說，古代火星上的大量水仍留在火星上，但多年來，大部分水可能已被隔絕在行星岩石和地殼中。

## 歷史背景

火星上有水的概念比太空時代早了數百年，早期的望遠鏡觀察者正確推斷了白色極冠和雲是水存在的跡象。這些觀察結果，加上火星一天有24 小時的事實，導致天文學家威廉·赫歇爾在 1784 年宣布火星可能為其居民提供了「在許多方面與我們相似的環境」。

1898 年，天文學家帕西瓦爾·洛厄爾繪製的火星運河到 20 世紀初，大多數天文學家都認識到火星比地球更冷、更乾燥。存在海洋的說法不再被接受，因此，觀念轉變為將火星描繪成一顆只擁有少量水的「垂死」星球，所看到的季節性變化幽暗區被認為是大片的植被。對傳播這種火星觀負有最大責任的是帕西瓦爾·洛厄爾(1855年-1916年)，他想像了一個建造運河網，將水從兩極輸送給赤道居民的火星種族，雖引起了巨大的公眾效應，但洛厄爾的這種想法卻並不被大多數天文學家接受。英國天文學家愛德華·沃爾特·蒙德（1851-1928 年）對當時科學界的主流觀點做了最好的總結，他將火星氣候與北極島嶼上兩萬英尺高山峰上的條件作了比較，在那裡只有地衣才可能存活下來。

與此同時，許多天文學家正在改進有望能檢測火星大氣層成分的行星光譜儀。1925 年至 1943 年間，威爾遜山天文台的沃爾特·亞當斯和西奧多·鄧納姆嘗試在火星大氣層中找到氧氣和水蒸氣，但結果通常都是負面的。火星大氣層中唯一所知的成分是二氧化碳 (CO2)，由傑拉德·柯伊伯在1947 年通過光譜確定。直到1963年，才在火星上明確檢測到了水蒸氣。

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自卡西尼（1666年）時代以來，極地冰蓋的成分一直被認為是水冰，但在19世紀末，由於該行星總體溫度較低，且明顯缺乏可感知的水，一些傾向於二氧化碳冰的科學家對此提出了質疑。羅伯特·萊頓和布魯斯·穆雷在1966年從理論上證實了這一假說。今天，我們知道火星兩極的冬季冰蓋主要由二氧化碳冰組成，但北極夏季仍保留有永久（或常年）的水冰蓋，在南極，夏季還有一小部分二氧化碳冰存在，但這層冰蓋下也有水冰。

火星氣候的最後一塊拼圖由水手4號在1965年補齊，來自太空飛行器雪花點般的電視圖像顯示，撞擊隕石坑占據了整個表面，這意味著該地表非常古老，沒有經歷過地球上所見的侵蝕和構造活動。極少的侵蝕意味著液態水可能在幾十億年的時間裡都沒有在行星地貌中扮演重要角色。此外，當宇宙飛船繞過火星背面時，無線電信號的變化使科學家能夠計算出大氣層的密度，結果表明火星大氣壓不到地球海平面的1%，徹底排除了存在液態水的可能，在如此低的氣壓下，液態水會迅速沸騰或凍結。由此，誕生出了一種與月球世界極為相似，僅擁有一縷大氣吹拂周圍塵埃的火星印象，這一印象將持續近十年，直到水手9號揭示出一顆更具活力、過去環境比現在更溫和的火星。

2014年1月24日，美國宇航局報告說，「好奇號」和「機遇號」火星車目前對火星的研究將是尋找古代生命的證據，包括基於自養、化能和/或化能無機自養微生物生物圈，以及包括可能宜居的河湖環境（與古代河流或湖泊有關的平原）的古代水。

多年來，人們一直認為觀測到的洪水遺蹟是由全球地下水釋放所造成，但2015年發表的研究揭示，4.5億年前形成的局部沉積物和冰才是洪水的源頭。「在火星北部低地的原始海洋下，河流和冰川融化的淤積物沉積在巨大的峽谷中，正是這些峽谷沉積物中保存的水，後來釋放為大洪泛，其影響在今天仍可看到」。

## 岩石和礦物證據

人們普遍認為，火星歷史早期曾擁有豐富的水，但此後，所有大面積的液態水都消失了。現代火星上只有一小部分水以冰和富含水冰的物質如:粘土礦物（頁矽酸鹽）、硫酸鹽等被保留了下來。氫同位素比值的研究表明，超過2.5個天文單位距離的小行星和彗星提供了火星的水源，目前地球上這種水源占現有海洋總量的6%至27%。

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### 風化物中的水（含水礦物）

火星表面的主要岩石類型為玄武岩，一種主要由橄欖石、輝石和斜長石等鐵鎂質矽酸鹽礦物組成的細粒火成岩。當暴露於水和大氣中時，這些礦物會通過化學作用風化成新的（次生）礦物，其中一些可能以H2O或羥基（OH）的形式將水結合到晶體結構中。水合（或羥基化）礦物的示例包括氫氧化鐵針鐵礦（地球土壤中的常見成分）、蒸發岩礦物石膏和硫鎂礬、蛋白石矽石和頁矽酸鹽（也稱為粘土礦物），如高嶺石、蒙脫石等，所有這些礦物在火星都已被檢測到。

化學風化的一個直接影響是消耗水和其他活性化學物質，將它們從大氣層、水圈等流動儲層中帶走，並隔絕在岩石和礦物中。目前火星地殼中以水合礦物形式儲存的水量尚不清楚，但有可能相當大。例如，機遇號探測車在子午線高原檢測的岩石露頭礦物模型表明，那裡的硫酸鹽沉積物按重量計可能含有高達22%的水。

在地球上，所有的化學風化反應或多或少都與水有關，因此，許多次生礦物實際上雖不含水，但仍需要水才能形成。一些無水次生礦物包括很多種碳酸鹽、部分硫酸鹽（如硬石膏）和金屬氧化物，如氧化鐵礦物赤鐵礦。在火星，理論上這些風化產物中的一些可以在無水，或少量以冰或分子級水膜（單層）形式存在的水中形成，這種奇特的風化過程在火星上所起的作用程度仍不確定。

含有水或在水中形成的礦物通常被稱為「水合礦物」，它們是礦物形成時所處環境類型的敏感指標。水反應發生的難易程度（參見吉布斯自由能）取決於壓力、溫度以及所涉及氣體和可溶性物質的濃度。兩個重要的特性指標是酸鹼值（pH）和氧化還原電位（Eh），如硫酸鹽礦物黃鉀鐵礬僅在低pH值（高酸性）水中形成；而頁矽酸鹽通常則生成於中性至高pH值（鹼性）水中。氧化還原電位（Eh）是一種測量水系統氧化狀態的量度，Eh和pH值共同表明熱力學上最穩定的礦物類型，因而最有可能給出一系列含水成分的類型。所以，過去火星上的環境條件，包括那些有利於生命的環境條件，可從岩石的礦物類型上推斷出來。

### 熱液蝕變

含水礦物也可以通過熱液經孔隙和裂縫的遷移在地下形成，驅動熱液系統的熱源可能來自附近的岩漿體或大型撞擊產生的餘熱。地球海洋地殼中一種重要的熱液蝕變類型為蛇紋岩化，當海水流經超基性岩和玄武岩時就會發生。水-岩反應導致橄欖石和輝石中的二價鐵氧化為三價鐵（如磁鐵礦），並產生出副產品-分子氫 （H2）。該過程創造出了一種高鹼性和低氧化還原電位的環境，有利於形成某些頁矽酸鹽（蛇紋石礦物）和各類碳酸鹽礦物，它們共同形成了一種稱作蛇紋岩的岩石，所產生的氫氣則可能成為化能合成生物的重要能源，也可與二氧化碳反應生成甲烷氣體，這一過程被認為是所報導火星大氣層中痕量甲烷的非生物來源。蛇紋石礦物也能在晶體結構中儲存大量的水（如羥基）。最近的一項研究表明，火星古高地地殼中推斷的蛇紋岩可容納500米（1600英尺）厚的全球等效水層。儘管在火星上已發現了一些蛇紋岩礦物，但從遙感數據來看，尚沒有明顯的大面積露頭，而這一事實並不排除隱藏在火星地殼深處大量蛇紋岩的存在。

### 風化速率

原生礦物轉化為次生含水礦物的速率各不相同，來自岩漿中的原生矽酸鹽礦物是在遠高於行星表面溫度和壓力條件下結晶的，一旦暴露在地表環境中，這些礦物將會失去平衡，趨向於與所接觸到的化學成分相互作用，形成更穩定的礦物相。一般來說，在最高溫度下結晶（先在冷卻岩漿中凝固）的矽酸鹽礦物風化速度最快。在地球和火星上，符合這一標準的最常見礦物是橄欖石，它在有水的情況下很容易風化成粘土礦物。

橄欖石在火星上分布廣泛，表明火星表面並沒有被水徹底改變，而大量的地質證據又顯示情況並非如此。

### 火星隕石

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現已發現了60多顆來自火星的隕石，其中一些有證據表明在火星上時就曾接觸過水。部分被稱為玄武質輝玻無球隕石（休格地隕石）的火星隕石，似乎（由於存在水合碳酸鹽和硫酸鹽）在被彈射到太空前就已暴露在液態水中了；而另一類輝橄無球隕石（奈克拉隕石），已被證明形成於火星上到處都布滿液態水的6.2億年前，並約在1075萬年前，因小行星撞擊而從火星上濺射出來，在過去一萬年中墜入到地球；火星隕石西北非7034比大多數其他火星隕石含水量多一個數量級，與火星車研究過的玄武岩相似，約形成於早亞馬遜世。

1996年，一組科學家報告說，來自火星的艾倫丘陵隕石84001可能含有微化石，但許多研究主要基於這些假定化石的形狀，因此，對其解釋的有效性受到質疑，人們發現隕石中所含大部分有機物質其實均源自地球。此外，科學界的共識是「形態學本身不能明確用作探測原始生命的工具」，形態學的解釋是出了名的主觀，它的單獨使用曾導致過無數錯誤的解釋。

## 地貌證據

### 湖泊和河流

1971年的水手9號宇宙飛船引發了一場對火星之水的認知革命，在許多地區發現了巨大的河谷。圖像顯示，洪水沖潰了堤壩，蝕刻出深谷，在岩床上沖刷出道道溝壑，一路肆虐數千公里；南半球的分支溪流區域表明，那裡曾經有過降雨。隨著時間的推移，被認出的河谷數量在不斷增加。2010年6月發表的一項研究繪製了火星上40000條河谷，大約是之前所確認的四倍。火星上水流侵蝕的特徵可分為兩大不同類別：1）諾亞紀年代的河谷系統，樹枝狀（分叉），類地規模，分布廣泛；2) 赫斯珀里亞紀年代的溢出河道，碩大綿長、孤立單線型。最近的研究表明，在中緯度地區可能還存在一類目前費解的更小更年輕（從赫斯珀里亞紀到亞馬遜紀）河道，可能與偶發的局部冰沉積物融化有關。

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火星某些地區常呈現出倒轉地形，當沉積在河床上的沉積物膠結在一起使抗侵蝕力增強後就會發生這種情況。之後，該區域可能被掩埋，外層覆蓋層隨侵蝕而剝離消失，但原來的河床因耐侵蝕而變得清晰可見。火星全球探勘者號發現了數處這種示例。在火星不同地區都發現了許多倒轉河流，尤其在梅杜莎槽溝層、宮本撞擊坑、佐伯隕擊坑和朱芬塔高原。

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在火星上發現了各種各樣的湖泊流域，部分湖泊與地球上最大的裏海、黑海和貝加爾湖等大小相當。在南部高原上發現了由河谷水道供流的湖泊，一些封閉的窪地伴有流入的河谷，這些地區被認為曾經坐落過湖泊。位於塞壬高地的一座湖泊，它的溢流穿過馬丁谷流入進曾被「勇氣號」火星探測車勘查過的古瑟夫撞擊坑；另一座則靠近巴拉那谷和羅亞爾谷（Loire）。一些湖泊被認為是由降水形成，而另一些則產生於地下水。據估計，阿耳古瑞盆地、希臘盆地和水手谷都可能存在過湖泊，很可能在諾亞紀時期，很多撞擊坑內都有湖泊。這些湖泊符合寒冷、乾燥（按地球標準）的水文環境，有點像末次盛冰期美國西部大盆地的水文環境。

2010年的研究表明，火星赤道部分地區也有湖泊。雖然早期的研究表明，火星曾有一段溫暖濕潤的早期歷史，但在很久前就已乾涸了，而這些湖泊卻存在於赫斯珀里亞紀年代，一個更晚的時期。利用美國宇航局火星勘測軌道飛行器的詳細圖像，研究人員推測，在這段時期中，火山活動、隕石撞擊或火星軌道移動可能增強，從而使火星大氣層變暖，足以融化地面上豐富的水冰。火山釋放出的氣體，也使大氣層在一段時間內變厚，吸收了更多的太陽光，使氣溫讓液態水得以存在。在這項研究中，發現了連接阿瑞斯谷附近湖盆的河道。當一座湖泊被注滿時，湖水會漫過堤岸，切刻出一條流向更低地區的河道，在那裡形成另一座湖泊，這些乾涸的湖床將成為尋找以往生命證據（生命印跡）的目標。

2012年9月27日，美國宇航局科學家宣布，好奇號火星車在蓋爾撞擊坑發現了一條古河床的直接證據，表明火星上曾有一股古老的「奔騰水流」。特別是對現在乾涸河床的分析表明，水流流速為3.3公里/時（0.92米/秒），可能深及髖部。流水的證據來自只能被強勁液流磨損的圓潤鵝卵石和礫石碎塊，它們的形狀和方位表明，從撞擊坑邊緣上方流入沖積扇的皮斯谷河道，將它們長距離搬運至此。

埃里達尼亞湖是一座理論上的古湖，面積約110萬平方公里，其最大深度為2400米，容積562000公里3。它比地球上最大的內陸海裏海還要大，貯水量比所有其他火星湖泊加在一起還要多，埃里達尼亞湖的水量是北美五大湖的9倍多。該湖湖面被推測位於環湖河谷水道的高海撥處，因為它們都終止於同一海拔高度，表明流入進同一座湖泊。

通過火星專用小型偵察影像頻譜儀的研究發現了厚度大於400米的沉積物，其中含有皂石、滑石皂石、富鐵雲母（例如海綠石-綠脫石）、鐵/鎂蛇紋石、鎂/鐵/鈣碳酸鹽和可能的硫化鐵，硫化鐵可能形成於被火山加熱的深水中，這種被歸類為熱液的過程可能是地球上生命起源的地方。

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- 顯示了埃里達尼亞湖不同地區估測水深的地圖，地圖寬約530英里。

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- 來自埃里達尼亞湖底深水盆地的沉積物。地表上存在的桌山因受到深水/冰蓋的保護而免受強烈侵蝕。火星專用小型偵察影像頻譜儀的測量表明，礦物可能來自湖底熱液礦床，生命有可能起源於這片湖泊。

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- 圖中顯示了火山活動如何導致埃里達尼亞湖底礦物的堆積，氯化物通過蒸發沿湖岸線沉積。

### 湖泊三角洲

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研究人員發現了許多形成於火星湖泊中的三角洲，三角洲的發現是火星上曾擁有大量液態水的重要標誌。三角洲通常需要在很長時間的深水中才能形成，此外，還需要水位穩定，以避免沉積物被沖走。三角洲在廣泛的地理範圍內被發現，儘管有一些跡象表明三角洲可能集中於假想的火星前北方洋邊緣。

### 地下水

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到1979年，人們認為火星上的溢出河道可能形成於偶發的地下水冰封層破裂，造成巨量液態水被排放到乾涸表面的事件，在阿薩巴斯卡谷巨流漣漪中發現了顯示嚴重甚至災難性洪水的證據。許多發源於混沌地形或峽谷特徵的溢出河道，為地下水冰封層破裂提供了佐證。

火星上分支河谷網的形成與地下水大規模突發性釋放並不一致，這既表現在河谷系統並非來源於單一流出點的樹杈形狀上，也表現在沿各支流的流量上。相反，一些作者認為它們是由地下水緩慢滲出形成的，基本上屬於泉流，這一解釋的論點是，此類河網中許多河谷的源頭都起始於箱形峽谷或「盆狀地形」端，在地球上這通常與地下水滲漏有關，也幾乎沒有證據表明在河道源頭存在水流突然從地下出現，並伴有明顯流量，非逐漸積聚的更細水道或河谷。另一些人則以地球事例為由，對河谷盆狀地形端和地下水形成之間的聯繫提出了質疑，並認為由於風化或撞擊翻攪的清除作用，河谷系統缺乏細小的源頭。但大部分作者承認，多數河谷系統至少部分受到地下水滲漏過程的影響和塑造。

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地下水在控制火星上大範圍沉積模式和過程中也起到至關重要的作用，根據這一假設，含有溶解礦物的地下水滲入地表、隕坑及隕坑周邊，通過添加礦物質，尤其是硫酸鹽並膠結沉積物促進了地層的形成。換言之，某些地層可能是由地下水上升沉積的礦物質和膠結現有鬆散風成沉積物而形成，因此，硬化層更能抵抗侵蝕作用。2011年一項利用火星勘測軌道飛行器數據進行的研究表明，包括阿拉伯高地在內的大片區域都存在著相同種類的沉積物。有人認為，沉積岩豐富的地區也最有可能是經歷過局部範圍地下水上涌的地區。

2019年2月，歐洲科學家公布了一項古老的全球範圍地下水系統地質證據，可以說，該系統與推測的浩瀚海洋有關。2019年9月，研究人員報告說，洞察號著陸器發現了無法解釋的磁異常和磁振盪，這與全球範圍內地下深處的液態水水層相一致。

### 火星海洋假說

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火星海洋假說提出，北方大平原盆地至少出現過一次液態水海洋，提供的證據表明，在火星地質史早期，火星上將近三分之一的表面被液態海洋覆蓋，該片被稱為北方洋的海洋可能灌滿了北半球位於行星平均海拔4-5公里（2.5-3.1英里）以下的北方大平原盆地區。有人提出了兩條主要的假定海岸線：其中較高的一條可追溯到約38億年前，與高原上形成的河谷網同時出現的年代；另一條較低的海岸線，則可能與較年輕的溢出河道有關。較高的「阿拉伯海岸線」痕跡可在除塔爾西斯火山區以外的地區找到；較低的「都特羅尼勒斯海岸線」分布則跟隨著北方大平原構造。

2010年6月的一項研究推斷，更古老的海洋可能覆蓋了36%的火星表面。1999年，測量了火星上所有地形高度的火星軌道器雷射高度計數據確認，該類海洋的流域可能遍及約75%的火星表面。早期的火星需要更溫暖的氣候和更稠密的大氣層，才能將液態水保留在地表。此外，大量的河谷水道有力地支持了火星過去可能存在著水循環。

科學家們對是否存在原始火星海洋仍有爭議，「古海岸線」某些特徵的解釋也受到挑戰。推測有20億年歷史的海岸線所面臨的一個問題是，它的起伏並不平緩，即不遵循恆定重力勢線，這也許是由火山噴發或流星撞擊造成的火星質量分布變化所致。埃律西昂火山區或被埋在北方平原下的巨大烏托邦盆地被認為是最可能的肇因。

2015年3月，科學家們表示，有證據表明存在一座古老的火星海洋，可能位於行星的北半球，大約相當於地球北冰洋的大小，約占火星表面的19%。這一發現是將現代火星大氣層中水和氘的比例與地球上這一比例相比較得出的。在火星上發現的氘是地球上氘含量的八倍，這表明古代火星的含水量明顯更高。好奇號探測車先前曾在蓋爾撞擊坑中發現了更高比例的氘，雖還不足以表明存在海洋。其他科學家警示說，這項新的研究尚未得到證實，並指出火星氣候模型尚未表明過去火星的氣溫足以支持液態水體。

2016年5月發表了有關北方洋的其他證據，描述了伊斯墨諾斯湖區的一些地表如何被兩次海嘯改變的過程。海嘯是由小行星撞擊海洋所引發，二次撞擊的強度足以形成二座直徑30公里的隕石坑。第一次海嘯沖走了汽車或小屋般大小的巨石，巨浪的回沖通過改變巨石位置形成了水道。第二次挾帶了大量被拋落在河谷中的冰塊。計算表明，浪潮平均高度為50米，具體從10米到120米不等。數值模擬表明，在海洋的這一特定區域，每隔3000萬年就會形成兩座直徑30公里的撞擊坑。這意味著一座巨大的北方洋可能已存在了數百萬年，反方意見所提出的海岸線特徵，可能已在歷次海嘯中被沖走。這項研究所涉及的地區為克律塞平原和阿拉伯高地西北部，這些海嘯影響了伊斯墨諾斯湖區和阿西達里亞海區的部分地表。

2019年7月，據報導，火星上一座古海洋曾在形成羅蒙諾索夫撞擊坑的隕石撞擊中產生過一場特大海嘯。

### 近期流體證據

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在目前的低溫低壓環境下，純液態水無法以穩定的形態存在於火星表面，除非僅短時間在海拔最低處，所以，2006年美國宇航局火星勘測軌道飛行器觀測到的十年前並不存在的沖溝群，可能是火星最溫暖月份由流動的液態滷水所造成，由此也揭開了一個地質謎團。在塞壬高地和半人馬山拍攝到的兩座隕石坑照片，似乎顯示在1999年至2001年的某些時刻火星上存在（干或濕的）流體。

對於沖溝是否由液態水造成，科學界存在分歧，切割溝壑的流體也可能是干顆粒或可能被二氧化碳潤滑的顆粒。一些研究證明，由於條件不適，南部高地上出現的沖溝不可能由水流形成。低氣壓、非地熱及更寒冷的地區，在一年中的任何時候都不會出現液態水，但卻適合於固體二氧化碳。在溫暖的夏季，固體二氧化碳會融化成液態，然後在地表沖刷出溝壑。退一步講，即便沖溝是由地表流動的水流所蝕刻，目前對水的確切來源及其背後的運動機制仍不清楚。

乾涸的沖溝是鑿刻在斜坡上的深槽，常年存在。火星上還有許多其他的特徵，其中一些屬於季節性變化。

2011年8月，美國宇航局宣布本科生「琳德拉·奧哈」（LujendraOjha）在南半球隕石坑邊緣附近的岩石露頭下方陡坡上發現了季節性變化流，這些黑色條紋，現在稱為復發性斜坡線（RSL），在火星夏季最溫暖時節，會向下生長延伸，然後在一年中的其餘時間裡逐漸消失，數年之中會定期重複出現。研究人員認為，這些痕跡與鹽水（滷水）沿山坡向下流動、蒸發，並可能留下一些殘留物相一致。此後，火星專用小型偵察影像頻譜儀直接觀察到了與這些復發性斜坡線同時出現的含水鹽類，並於2015年確認這些線紋是由液體滷水流經淺層土壤時所產生。這些線條包含了含液態水分子的水合氯酸鹽和高氯酸鹽（ClO4−）。在火星夏季，當氣溫高於攝氏−23度(華氏−9度；250 K）時，線條流開始向坡下流動，但水源仍然不明。2017年12月公布的火星奧德賽號軌道器過去十年所獲得的中子光譜儀數據顯示，沒有證據表明在這些活動地點有水存在（氫化表岩屑），因此，作者也支持短期大氣層水蒸汽潮解或乾燥顆粒流假設。他們得出的結論是，今天火星上的液態水可能僅限於大氣層和薄膜中溶解的水分痕跡，這對我們所知的生命來說是一種具有挑戰的環境。

## 現在的水

較低（頂部）和較高（底部）緯度區存在於火星表面1米以下地層中的水冰比例，該百分比是通過基於超熱中子通量的化學計量估算得出，而這些通量是由2001火星奧德賽號上中子光譜儀所探測到。

火星奧德賽號中子光譜儀和伽馬射線光譜儀在火星全球範圍內觀測到了大量的表面氫，這種氫被認為是與冰的分子結構結合在一起的，通過化學計量數計算，觀測到的通量已被轉化為火星表面1米以上地層中水冰的密度。這一數據處理表明，目前火星地表中冰的分布廣泛而且豐富。60度以下的緯度區，冰集中在數個地區，特別是埃律西昂火山周圍、示巴高地和塞壬高地西北部，地下冰的密度高達18%；在緯度60度以上地區，冰層分布非常豐富；緯度70度的極地，幾乎所有地方的冰密度都超過25%，在極地接近100%。火星勘測軌道飛行器的淺地層雷達和火星快車號地下和電離層探測高新雷達也證實，個別地表特徵富含水冰。由於已知在目前火星表麵條件下冰的不穩定性，因此認為幾乎所有的冰都被一層薄薄的岩石或塵埃物質所覆蓋。

火星奧德賽中子光譜儀的觀測表明，如果火星表面離頂部一米深處的所有冰都均勻分布，那麼將會形成至少全球約14厘米（5.5英寸）深的水層。-換言之，火星全球平均14%的表面是水。當前鎖定在火星兩極的水冰相當於30米（98英尺）深的全球平均水層。地貌證據表明，過去地質時期，地表水的數量明顯更大，全球平均水層深達500米（1600英尺）。人們認為，火星上過去的水一部分流入到了更深的地下，另一部分則散失在太空中，儘管對這些作用過程的詳細質量平衡仍然知之甚少。目前大氣蓄水層是一條非常重要的管道，它可讓冰季節性和在更長時間跨度上從一地遷移至另一地，但其體積微不足道，折算全球平均水深不超過10微米（0.00039英寸）。

### 極地冰冠

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火星北極（北極高原）和南極（南極高原）極冠自水手9號軌道飛行器以來就為人所知，但是，這種冰的數量和純度直到21世紀初才被了解清楚。2004年，歐洲火星快車號上的瑪西斯雷達探測儀證實了南極冰蓋下至地下3.7公里（2.3英里）處存在相對潔淨的水冰。同樣，火星勘測軌道飛行器上搭載的沙拉德淺地層雷達測深儀也觀測到了地表下1.5–2公里處的北極冰蓋底部，總之，火星南北極冰蓋中的冰容量與格陵蘭冰原相類似。

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南極區冰蓋上一片更大的冰原被懷疑在遠古時期（赫斯珀里亞紀）就已消退，其中可能含有2000萬公里3的水冰，相當於整個行星上一層137米深的水層。

當通過剖析其體積的螺旋槽圖像進行檢查時發現，兩處極地冰蓋都有豐富的內部冰層和塵埃層，地下雷達的測量顯示這些分層在冰原上不斷延伸。就像地球上記錄了地球氣候的冰蓋一樣，這種分層也包含了火星過去的氣候記錄。然而，閱讀這些記錄並不簡單，因此，許多研究人員研究這種分層現象，不僅是為了了解冰蓋的結構、歷史和流動特性，也是為了了解火星氣候的演變。

圍繞極冠還有很多位於隕石坑內的更小冰蓋，其中一些覆蓋在厚厚的沙粒或火星塵埃沉積物之下。特別是直徑81.4公里（50.6英里）的科羅廖夫撞擊坑，據估計，含有約2200公里3（530英里3）暴露在地表上的水冰。科羅廖夫撞擊坑的坑底位於坑口下方約2公里（1.2英里）處，上面覆蓋著1.8公里（1.1英里）深的永久性中央水冰丘，直徑可達60公里（37英里）。

#### 冰川下的液態水

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曾推測火星上存在冰下湖，當在對南極洲沃斯托克湖進行建模時顯示，該湖泊可能在南極冰期之前就已存在，類似的情況也可能發生在火星上。2018年7月，義大利航太局的科學家報告，在火星上發現了一座這樣的冰下湖，位於南極冰蓋下1.5公里（1英里）處，水平範圍為20公里（10英里），這是該行星上出現的首個穩定液態水體的證據。該火星湖的證據是2012年5月至2015年12月期間，從火星快車號上瑪西斯雷達回波信號中的亮點推斷出來的。檢測到的湖泊中心點位於東經193度、南緯81度處，這是一片平坦區，沒有任何特殊的地形特徵，除東側窪地外，其它三面被更高的地面環繞。美國宇航局火星勘測軌道飛行器上的沙拉德雷達沒有看到湖泊跡象。沙拉德雷達的工作頻率設計用於更高的解析度，但穿透深度較低，因此，如果覆蓋在冰下湖上的冰層含有大量矽酸鹽礦物，該雷達就不太可能探測到推斷的湖泊。

2020年9月28日，採用新數據和新技術重新分析了所有數據，確認了瑪西斯雷達的發現。這些新的雷達研究報告了火星上另外的三座冰下湖，它們都位於南極冰蓋下方1.5公里（0.93英里）處。發現的第一座湖，也是最大的一座其大小已經被修正為30公里（19英里）寬，它被三座較小的湖泊包圍，每座湖泊都有數公里寬。

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因為極冠底部的溫度估計為205 K(攝氏−68度；華氏−91度），科學家們假設，通過鎂和高氯酸鹽的防凍作用，水可以保持在液體狀態。湖面上覆蓋著一層1.5公里（0.93英里）厚，由10%至20%塵埃與水冰混合組成的冰層，季節性地被一層1米（3英尺3英寸）厚的二氧化碳霜覆蓋。由於南極冰蓋的原始數據覆蓋範圍有限，發現者表示「沒有理由斷定火星上的地下水僅限於單一的一處地方」。

2019年，發表了一項探討存在這樣一座湖泊所需物理條件的研究。該研究計算了達到液態水和高氯酸鹽混合物在冰下穩定的溫度所需地熱量。作者得出的結論是「即使南極冰層底部局部聚集了大量的高氯酸鹽，但典型的火星條件太冷，無法融化冰……需要地殼內的局部熱源來提高溫度，而距離冰10公里的岩漿室可以提供這樣的熱源。這一結果表明，如果觀測的液態水解釋是正確的，那麼火星上的岩漿活動可能是最近才活躍起來的」。

如果確實存在一座液態湖，它的鹹水也可能與土壤混合形成污泥，湖中的高含鹽量會對大多數生命形式帶來困難。在地球上，有一種被稱為嗜鹽生物的細菌，能在極端鹽分的環境中旺盛生長，但它們也並非生活在黑暗、寒冷、濃縮的高氯酸鹽溶液中。

### 地下冰

多年來，許多科學家都認為火星表面看起來像地球上的冰緣地區，通過與這些陸地特徵對比，多年來一直爭論它們可能是永久凍土區，表明水冰就存在於地表之下。高緯度地區的一個共同特徵是具有以多種形狀出現的圖案地面，包括條紋和多邊形。在地球上，這些形狀是由土壤的凍結和融化所造成。還有其他類型的證據表明火星表面下存在大量的冷凍水，比如地形軟化，這會使銳峭的地形特徵變得更圓鈍。來自火星奧德賽號伽馬射線光譜儀的證據和鳳凰號著陸器的直接測量證實，這些特徵中許多與地面冰的存在密切相關。

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2017年，研究人員使用火星勘測軌道飛行器上的高解析度成像科學設備相機發現了至少八處被侵蝕的斜坡，顯示出100米厚的裸露水冰層，上面覆蓋著一層約1或2米厚的土壤。這些地點位於南北緯55到58度之間，表明火星表面大約三分之一的地方都分布有淺層地面冰。這幅圖像證實了2001火星奧德賽號上的光譜儀、火星勘測軌道飛行器和火星快車號上的探地雷達以及鳳凰號著陸器在「原位」挖掘中探測到的情況。這些冰層包含了易於獲取的火星氣候史線索，並使未來的機器人或人類探索者可得到冰凍水。部分研究人員認為，這些沉積物可能是數百萬年前行星自轉軸和軌道不同時遺留的冰川殘跡（見下文火星冰河時代一節）。2019年發表的一項更詳細的研究發現，北緯35度和南緯45度存在著水冰，一些冰塊被塵埃覆蓋著，距地表僅數厘米，在這些環境中提取水冰不需要複雜的設備。

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- 高解析度成像科學設備顯示的三角形窪地坡壁近景，這些地層中含有冰，較低層傾斜，而近表地層或多或少呈水平平行，這種地層排列被稱為「角度不整合」。

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- HiWish計劃下高解析度成像科學設備在伊斯墨諾斯湖區看到的形成於富冰地面的撞擊隕坑。

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- HiWish計劃下高解析度成像科學設備顯示的可能形成於富冰地面的撞擊隕坑近景，注意，噴出物似乎低於周圍地表，熾熱的噴射物可能導致周邊一些冰的消失，從而降低了噴出物的水平高度。

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- 近地表冰分布圖

#### 扇形地形

火星的某些區域顯示出扇貝邊狀的窪地，這些窪地被懷疑是退化的富冰沉積覆蓋物殘跡。扇貝形狀是由凍土中的冰升華所致，在目前火星氣候條件下，水冰升華造成的地下損失可形成了扇貝狀地貌。模型預測，當地表有大量深達數十米的純冰時，就會出現類似形狀。地表覆蓋物可能是火星極地傾斜變化導致氣候改變時，從大氣層中降落堆積的塵埃冰（見下文「冰河時代」）。扇貝狀地形通常有幾十米深，直徑從數百米到數千米不等，外觀接近圓形或細長，有些似乎已合併到一起，形成了一片寬闊而坑窪崎嶇的地形。這種地形的形成過程可能起始於裂縫中的凍升華，形成扇貝地形的地方通常伴有多邊形裂縫，扇形地形的存在似乎是一種凍土跡象。

2016年11月22日，美國宇航局報告稱，在火星烏托邦平原區發現了大量地下冰。據估計，探測到的貯量相當於一座蘇必利爾湖。

該地區的水冰容量是根據火星勘測軌道飛行器上的探地雷達（簡稱「沙拉德」）測得的「電容率」或介電常數數據所確定，介電常數值與大密度的水冰相一致。

這些扇貝狀特徵從表面上看類似於在南極冰蓋附近發現的瑞士乾酪特徵。瑞士乾酪特徵特徵被認為是固體二氧化碳表層形成的空洞，而不是水冰，儘管這些空洞底部可能也富含了水。

#### 冰塊

2005年7月28日，歐洲空間局宣布發現了一座部分充滿冷凍水的隕石坑，隨後一些人將這一發現解釋為「冰湖」。由歐洲空間局火星快車號上高解析度立體相機拍攝的隕石坑圖像清楚地顯示，在遼闊的北方大平原北緯70.5度、東經103度處，一座無名隕石坑的坑底覆蓋著一大片的冰。該隕坑寬35公里（22英里），深約2公里（1.2 英里），坑底與冰面之間的高度差約為200米（660英尺）。歐空局的科學家將這種高度差主要歸因於部分可見的冰下沙丘。雖然科學家們並不把這塊冰稱為「湖泊」，但該水冰塊的大小和全年存在的特點非常引人注目。在火星許多不同的地方都發現了水冰沉積和霜凍層。

隨著越來越多的火星表面被新一代的探測器拍攝到，越來越明顯的事實是，火星表面可能散布著更多的冰塊。這些推測中的冰塊很多都集中在火星中緯度地區(南北緯30–60°之間）。

例如，許多科學家認為，在這些緯度帶中被不同地描述為「緯度相關覆蓋層」或「粘貼地形」的普遍特徵，是被塵埃或碎片覆蓋、正在緩慢退化的冰塊。碎片的覆蓋既解釋了圖像中不像冰一樣反射的暗淡表面，也說明了這些冰塊為何能長時間存在而不完全升華。這些冰塊還被認為是一些神秘的流道特徵（如在這些緯度區所看到的沖溝）的可能水源。

在埃律西昂平原發現了與現有流冰(pack ice)一致的表面特徵，在通往大面積洪泛區的河道中發現了似乎呈片狀，大小從30米（98英尺）到30公里不等的特徵。這些片狀特徵顯示出破裂和旋轉的跡象，清楚地將它們與火星表面其他地區的熔岩場區分開來。洪泛的源頭被認為是附近的地質斷層刻耳柏洛斯塹溝，該斷層噴出了約200萬至1000萬年的水和熔岩。並被認為，水從刻耳柏洛斯塹溝流出，然後在低海拔平原匯聚、凍結，這種凍結的湖泊現今可能仍然存在。

### 冰川

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火星上許多大片區域要麼似乎有冰川，要麼有證據顯示曾經存在過冰川。許多高緯度地區，尤其是伊斯墨諾斯湖區被懷疑仍然含有大量的水冰。最近的證據讓許多行星科學家相信，水冰仍以冰川的形式存在於火星中高緯大部分地區，表面覆蓋著一層可阻止升華的岩石/塵埃隔熱層。這方面的一則示例是都特羅尼勒斯桌山群區被稱作舌狀岩屑坡的冰川狀特徵，它顯示的大量證據表明，在數米厚的岩石碎屑下就藏有水冰。冰川與銳蝕地形及眾多的火山有關。研究人員曾描述過赫卡特斯山、阿爾西亞山、帕弗尼斯山 和奧林帕斯山上的冰川沉積。據報導，在中緯度及以上地區的一些較大隕石坑中也有冰川。

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火星上類似冰川的地貌分別被稱作粘滯流地貌、火星流地貌、舌狀岩屑坡或線狀谷底沉積等，這取決於特徵的形式、位置、相關地形以及作者對它的描述。很多（但不是全部）小型冰川似乎與隕石坑壁上的沖溝及覆蓋層材料有關；被稱為線狀谷底沉積的線性沉積物可能是被岩石覆蓋的冰川。發現於北半球阿拉伯高地周圍銳蝕地形中的大多數河道，底部都有這種沉積物，河床表面上的這種脊狀和溝槽狀材料，可在障礙物周圍轉偏。線狀谷底沉積可能也與舌狀岩屑坡有關，軌道雷達已經證實其中含有大量的水冰。多年來，研究人員一直認為被稱為「舌狀岩屑坡」的特徵是冰川流，並認為冰就存在一層隔熱的岩石之下。根據新的儀器讀數，已證實舌狀岩屑坡中幾乎含有純冰，上面覆蓋著一層岩屑。

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流動的冰川攜帶著岩石一起移動，之後隨著冰川的消失岩石會被丟落，這通常發生在冰川前鋒或冰川邊緣。在地球上，這些地貌被稱為冰磧，但在火星上，它們通常被稱為類「冰磧脊」、「同心脊」或「弧形脊」。由於火星上的冰趨向於升華而非融化，而且火星的低溫往往會使冰川「凍底」（凍結在岩床上，無法滑動），這些冰川遺蹟及其留下的山脊與地球上的正常冰川並不完全相同。特別是火星冰磧易於沉積，而不會隨下方的地形偏轉，這反映了火星冰川中的冰通常被凍結而無法滑動的事實。冰川表面的碎屑脊表明了冰的移動方向，一些冰川表面因下方冰的升華而顯得相當粗糙。冰蒸發而不融化會留下空隙，使上覆的材料隨後塌陷到空隙中。有時大塊的冰從冰川上掉落並被埋入到地表中，當它們融化後，或多或少會留下一些圓孔，火星上發現了許多這樣的「壺穴」。

儘管有強有力的證據表明火星上有冰川流動，但幾乎沒有令人信服的冰川侵蝕地貌證據，如U形谷、鼻山尾、刃脊、鼓丘等。此類特徵在地球冰川地區十分豐富，所以，火星上沒有這些特徵著實令人費解。這些地貌的缺乏被認為與火星上最新冰川中冰的「底凍」性質有關。由於火星上的太陽輻射、大氣層溫度和密度以及地熱通量都比地球低，模型表明冰川與河床間的界面溫度一直處於零度以下，冰實際上是被凍在了地表上，由此阻止了冰在河床上的滑動，這被認為抑制了冰侵蝕表面的能力。

## 火星水資源演變

火星表面水貯量的變化與其大氣層的演變密切相關，可能有幾個關鍵階段。

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### 早諾亞紀年代 （46-41億年前）

早諾亞紀年代的特點是大氣因嚴重的隕石撞擊和流體逃逸而散失到太空，隕石造成的噴發可能清除了約60%的早期大氣。在此期間，大量矽酸鹽可能已經形成，這需要足夠稠密的大氣層來維持地表水，因為光譜上占主導地位的頁矽酸鹽類—蒙脫石表明水岩比適中。然而，介於蒙脫石和碳酸鹽之間的pH-pCO2顯示，蒙脫石的沉澱將二氧化碳分壓（pCO2）值約束在不超過1×10−2標準大氣壓 (1千帕)以內。另一項複雜因素是，年輕時期的太陽亮度比現在約低25%，這需要有一種更具顯著溫室效應的古老大氣層來提高表面氣溫以維持液態水，但僅靠提高二氧化碳含量無法實現，因為二氧化碳在分壓超過1.5個大氣壓（1500百帕）時會沉澱，溫室氣體的有效性反會降低。

### 諾亞紀中晚期年代（41-38億年前）

在諾亞紀中晚期，塔爾西斯火山群排出了大量的水蒸氣、二氧化碳和二氧化硫等氣體，構成了火星的次級大氣層；火星河谷網也形成於這一時期，表明與災難性洪水相反，火星全球範圍內廣泛存在著地表水並暫時穩定，這段時期結束於同時發生的內部磁場終止和隕石轟擊高峰的降臨。內部磁場的停止和隨後所有局部磁場的減弱使得太陽風可不受阻礙地剝離大氣層。例如，與地球大氣層相比，火星大氣層中氬38/氬36、氮15/氮14和碳13/碳12的比率與太陽風通過瑞利分餾作用剝離高層大氣層中較輕同位素造成的約60%氬、氮和二氧化碳損失相一致。作為太陽風活動的補充，撞擊則會在沒有同位素分餾的情況下大量噴射掉大氣層成分。儘管如此，彗星撞擊可能為該行星提供了揮發物的主要來源。

### 赫斯珀里亞紀到亞馬遜紀年代（約38億年前至現今）

雖然太陽風對大氣層的剝離強度已不如太陽年輕時強烈，但還是抵消了零星釋氣事件的補充作用。這一時期爆發的災難性的洪水，有利於地下揮發物的突然釋放，而不是持續的在地表流動。雖然該時代早期可能是以酸性水環境和從諾亞晚期起以塔爾西斯為中心的地下水排放為主，但後期大部分的表面蝕變過程都是以氧化為標誌，包括形成了使火星表面呈現紅棕色的三價氧化鐵。原生礦物相的這種氧化可通過與形成橙玄玻質(palagonitic)火山灰有關的低pH值（可能是高溫）作用、火星大氣層中光化學形成的過氧化氫作用以及水的作用來實現，這些都不需自由氧的介入。鑑於近期水和火成岩活動的急劇減少，過氧化氫的作用可能暫時占據了主導地位，使得觀察到的三價氧化鐵量非常小，雖然它們無處不在，而且在光譜上占主導地位。然而，在最近的地質史中，含水層可能驅動了持續但高度局部化的地表水，就如莫哈韋隕擊坑所顯示的地貌。此外，拉法耶特(Lafayette)火星隕石顯示了最近6.5億年前水蝕變的證據。

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2020年，科學家們報告說，當前火星從水中失去氫原子的主要原因是季節性因素和直接將水輸送至高層大氣層的沙塵暴，這可能影響了行星過去10億年的氣候。

#### 冰河時代

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在過去的五百萬年中，火星表面冰的數量和分布大約經歷了40次大規模的變化，最近一次的變化大約在210至40萬年前，發生於火星分界的晚亞馬遜紀冰川活動，這些變化被稱為冰河期。火星上的冰河期與地球經歷的冰河期大不相同，火星上的冰河期是由軌道和傾斜—也稱為傾角的變化所驅動。軌道計算表明，火星在其軸線上的擺動比地球大得多。地球因其相對較大的衛星而穩定，因此它只擺動幾度，而火星的傾角可能會改變幾十度。當傾角很高時，它的兩極會得到更多的直射陽光和熱量，導致冰蓋變暖，並隨著冰升華而縮小，氣候相應出現變化。火星軌道的偏心率變化是地球的兩倍，隨著兩極的升華，冰被重新沉積到更靠近赤道的地方，在高傾角時期，赤道受到的太陽輻射有所減少。電腦模擬顯示，火星自轉軸傾斜45度，將導致冰堆積在顯示有冰川地貌的區域。

冰蓋中的水分以霜或雪與塵埃混合的形式向低緯度地區移動，火星大氣層中含有大量細小的塵埃微粒，水蒸氣在這些顆粒上凝結，然後由於水膜層的額外重量而落到地面形成一層覆蓋層。當覆蓋層頂部的冰返回大氣層時，會留下塵埃隔離剩餘的冰。蒸發的水分總量只占冰蓋的百分之幾，或者在整個火星表面形成一層1米深的水層。大部分來自冰蓋的水分都形成為一層冰塵混合的平整、厚實的覆蓋層，這層富含冰的覆蓋層，在中緯度區可達100米厚，使低緯度區的陸地變得非常平坦，但在某些地方，它顯示出一種凹凸不平的紋理或圖案，顯示出下面存在著水冰。

## 宜居性評估

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自1976年海盜號登陸器搜尋當前微生物生命以來，美國宇航局在火星上一直遵循「跟隨著水」的戰略。然而，正如我們所知，液態水是生命存在的必要條件，但並非充分條件，因為行星宜居性是多種環境參數的函數。化學、物理、地質和地理屬性決定了火星上的環境，對這些因素的單獨測量尚不足以認定環境的適居住，但測量的總和有助於預測具有更大或更小宜居潛力的位置。

可居住的環境並不需要有人居住，出於行星保護的目的，科學家們正在嘗試確定火星上可能會被太空飛行器上偷渡的地球細菌污染的潛在棲息地。假如火星上存在或曾存在過生命，則在遠離如今高氯酸鹽、電離輻射、乾燥寒冷等嚴酷表麵條件的地下可能會找到證據或生命印跡。在假設的水圈中，可居住的位置可能位於地表以下數公里處，或者可能出現在與永久凍土接觸的近地表附近。

好奇號火星車正在評估火星過去和現在的宜居性潛力，而歐洲-俄羅斯計劃啟動的「火星太空生物學」任務是一項致力於尋找和識別火星上生命信號的天體生物學項目，包括2018年4月開始繪製火星大氣層甲烷圖的「火星微量氣體任務衛星」和2022年將鑽探和分析2米深地下樣品的「火星生物探測漫遊車」。美國宇航局的火星2020任務探測車將儲存數十個鑽孔岩芯樣本，以便在2020或2030年代將其帶回地球實驗室。

## 太空飛行器探測

### 水手9號

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1971年發射的水手9號軌道飛行器所獲得的圖像首次以乾涸河床、峽谷（包括長約4020公里的峽谷系統）、水侵蝕及沉積、鋒面、霧等形式揭示了過去存在過水的直接證據。水手9號任務的發現支持了後來的海盜計劃，為紀念水手9號取得的成就，以它的名字命名了巨大的水手峽谷系統。

### 海盜計劃

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兩艘海盜軌道飛行器和兩台著陸器在火星表面發現了很多典型由大規模水流造成的地質形態，引發了學界對火星上是否有水的認知革命。在許多地區發現了巨大的溢出河道，顯示洪水曾衝垮河壩、切出深谷、蝕刻岩床，奔騰傾瀉數千公里；分布於南半球大片地區的分支河谷網道，表明那兒曾經有過降雨；許多隕石坑看上去好像隕石撞進了濕泥里，在它們形成時，土壤中的冰可能被融化，使地面變成四處流動的泥漿；被稱為「混沌地形」的地區似乎快速流失了大量的水，導致下游形成巨大的河道，據估計這些河道的流量是密西西比河的一萬倍。地下火山的活動可能融化了冰層，在水流大量流失後，地面塌陷形成混沌地形。另外，兩台海盜著陸器的常規化學分析表明，火星表面過去要麼露出在水面，要麼就浸沒於水中。

### 火星全球探勘者號

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火星全球探勘者號的熱輻射光譜儀（TES）是一台能夠測定火星表面礦物成分的儀器，而礦物成分能提供古代是否存在水的資訊。熱輻射光譜儀在尼利槽溝地層中發現了一大片（3萬平方公里（1.2萬平方英里））含有橄欖石礦物的區域。據認為，造成伊希斯盆地的古代小行星撞擊導致了暴露出橄欖石的斷層。橄欖石的發現有力地證明了火星部分地區極端乾燥的時間已經很長。在赤道南北南60度範圍內的其他許多小型露頭中也發現了橄欖石。該探測器已拍攝到多條表明過去有持續液體流動的流道，其中兩條位於納內迪谷和尼爾格谷。

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### 火星探路者號

火星探路者號著陸器記錄了白晝氣溫循環的變化，日出前最冷，大約為零下78攝氏度（華氏零下108度；195 K）；午後最暖，約為零下8攝氏度（華氏18度；265 K）。在該位置，最高溫從未達到水的冰點（攝氏0度、華氏32度或273 K），由於溫度過低，純液態水無法在地表存在。

探路者號在火星上測得的大氣壓也非常低，約為地球的0.6%，同樣也不允許純液態水存在於表面。

其他觀察結果則與過去存在水的情況一致，探測器著陸點的一些岩石以地質學家稱之為「疊瓦」的方式相互斜靠，可能是過去巨大的洪水將岩石推離水流方向時所形成；一些圓潤的鵝卵石可能是在溪流中翻滾而致；而部分堅硬的地面則可能是含礦物質流體產生的膠結作用；另外，還探測到有雲的跡象，也許還有霧。

### 火星奧德賽號

2001火星奧德賽號以圖像形式發現了許多火星上存在水的證據，通過中子光譜儀，證明了大部分地表都貯藏有水冰，火星地表下的水冰足夠填滿兩座密西根湖。在兩半球中緯55度到兩極的地表下，分布著高密度的冰，每公斤土壤含有約500克（18盎司）的水冰,但靠近赤道的地方，土壤中水分的含量只有2%到10%。科學家們認為，這些水分大部分也被鎖定在礦物的化學結構中，如粘土和硫酸鹽。雖然火星上表層只含百分之幾的化學結合態水，但冰就位於較下方數米處,尤如在阿拉伯高地、亞馬遜區和埃律西昂區所顯示的那樣，那兒含有大量的水冰。軌道飛行器還在赤道地區表面附近發現了大量的大塊水冰沉積物，赤道水合作用的證據既有形態上的，也有成分上的，在梅杜莎槽溝層和塔爾西斯山都可看到。數據分析表明，南半球可能具有分層結構，表明在現已消失的大型水域下面存在層狀沉積物。

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火星奧德賽號上的儀器可研究地表下1米深的土壤。2002年，利用現有數據計算，如果所有土壤表面都被一層均勻的水層覆蓋，則將相當於火星0.5-1.5公里（0.31-0.93英里）深的全球等高水層（GLW）。

奧德賽軌道飛行器返回的數千張圖像也支持火星上曾有大量的水流淌在表面的觀點。

一些圖像顯示了分支河谷的形態，另一些則顯示了可能在湖泊下形成的地層，甚至識別出了河流和湖泊三角洲。多年來，研究人員一直懷疑冰川存在於一層隔熱岩石之下，在一些河道底表上發現的線狀谷底沉積就是這些被岩石覆蓋的冰川示例，它們的表面分布有脊狀和溝槽狀的材料，可在障礙物周圍偏轉。線性谷底沉積物可能與舌狀岩屑坡有關，軌道雷達顯示舌狀岩屑坡內含有大量的水冰。

### 「鳳凰號」

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鳳凰號著陸器也確認了火星北部地區存在大量水冰，這一發現是由以前的軌道數據和理論預測並由火星奧德賽儀器在軌測量得出的。2008年6月19日，美國宇航局宣布，機械手臂挖掘的「渡渡鳥-金髮姑娘」溝中骰子般大小的明亮團塊在四天內蒸發，強烈表明那些明亮團塊是暴露後升華的水冰。雖然二氧化碳霜（乾冰）在當時條件下也會升華，但它們的速度應該比觀測到的要快得多。2008年7月31日，美國宇航局宣布鳳凰號進一步證實了著陸地點存在水冰的證據，在對土壤樣品進行加熱測試中，當樣品溫度升到攝氏0度（華氏32度；273 K）時，質譜儀檢測到了水蒸氣。在當前極低的大氣壓和氣溫環境下，除非短時內位於海拔最低處，否則，液態水不可能存在於火星表面。

火星土壤中存在強氧化劑—高氯酸鹽（ClO4–）陰離子，這種鹽可以大大降低水的冰點。

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鳳凰號著陸時，減速火箭噴出的氣流將泥土和融化的冰濺射到了著陸器上。照片顯示，探測器降陸時有一些物質粘在了著陸支架上這些物質以潮解的速率膨脹，在消失之前變暗（與先液化後滴落一致），並似乎融合在一起。這些觀察結果結合熱力學證據，表明這些斑滴很可能是液態滷水露珠；其他研究人員認為這些露珠可能是「霜凍」。2015年，已證實高氯酸鹽在陡坡沖溝上形成復發性坡線方面發揮了作用。

在相機所能看到的範圍內，著陸區表面是大致平坦，但形成了一塊塊直徑2-3米（6英尺7英寸-9英尺10英寸），被20-50厘米（7.9-19.7英寸）深凹槽環繞的多邊形地面。這些形狀縁於土壤中的冰在溫度變化較大時產生的膨脹和收縮。顯微鏡顯示，多邊形頂部的土壤由圓形和扁平顆粒組成，可能是一種粘土，冰存在於多邊形中間地表下幾英寸處，而多邊形邊緣區冰至少有8英寸（200毫米）深。

觀察到雪從捲雲中飄落，雲層形成於大氣層中溫度為攝氏零下65度（華氏-85度；208K)的高度，因此，雲必定是由水冰，而非二氧化碳冰（二氧化碳或乾冰）所組成，因為形成二氧化碳冰的溫度遠低於攝氏零下120度(華氏-184度；攝153 K）。根據任務觀察結果，現在懷疑今年晚些時候在該地點會積聚水冰（雪）。在任務執行期間的火星夏季，測得的最高氣溫為攝氏零下19.6度(華氏−3.3度；253.6K），最冷氣溫是攝氏零下97.7度(華氏−143.9度；175.5K），因此，這一地區氣溫度遠低於水的冰點（攝氏0度，華氏32度或273 K）。

### 火星探測漫遊者

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勇氣號和機遇號火星探測車發現了大量火星上曾經存在過水的證據。勇氣號探測車降落在一處被認為是大型湖床的地方。該湖床已被熔岩流覆蓋，因此，最初很難發現過去水的證據。2004年3月5日，美國宇航局宣布勇氣號在一塊名為「漢弗萊」的岩石中發現了火星上有水的歷史線索。

當勇氣號在2007年12月拖著一隻被卡住的輪子倒車時，該車輪刮掉了表層土壤，露出了一塊富含二氧化矽的白色地面。科學家們認為該二氧化矽地面一定是通過兩種方式之一產生的，其一：水在某處溶解的二氧化矽，然後帶至另一處（即間歇泉）產生的溫泉沉積物；其二：從岩縫中噴出的酸性蒸汽剝去了岩石的礦物成分，留下了二氧化矽。勇氣號探測車還在古瑟夫撞擊坑的哥倫比亞丘陵發現了水的證據，在克洛維斯岩石群中，穆斯堡爾光譜儀（MB）檢測到了只能在有水情況下才會形成的針鐵礦。以三價鐵離子（Fe3+）形態存在的鐵氧化物、富含碳酸鹽的岩石，這意味著該行星上的一些地區曾經有過水。

機遇號探測車被引導至一處在軌道上檢測到有大量赤鐵礦的地點，赤鐵礦通常由水形成。探測車確實發現了層狀岩石和大理石或藍莓狀赤鐵礦結核。在路過其他地方時，機遇號勘查了堅忍撞擊坑中伯恩斯崖中的風成沙丘層，得出的結論是，這些露頭的保存和膠結受到淺層地下水流的控制。在它連續運行的數年中，機遇號傳回的證據表明，火星上該區域過去曾被液態水浸透過。

火星漫遊者發現了古代潮濕環境酸性很強的證據，事實上，機遇號發現了硫酸的證據，這是一種對生命有害的化學物質，但2013年5月17日，美國宇航局宣布機遇號發現了粘土沉積物，這些沉積物通常形成於酸鹼度接近中性的潮濕環境中。這一發現為潮濕的古代環境可能有利於生命提供了額外的證據。

### 火星勘測軌道飛行器

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火星勘測軌道飛行器的高解析度成像科學設備拍攝了許多圖像，有力地表明了火星有著豐富的與水有關的歷史過程。一項重大發現是找到了古溫泉證據，如果那裡曾擁有微生物生命，那麼就可能會保留下生命印跡。2010年1月發表的研究報告描述了水手谷周圍地區持續降水的有力證據，那裡的礦物類型與水有關。此外，高密度的小型支流也表明曾經的降水量很大。

火星上的岩石被發現經常在許多不同的地方以分層的形式出現，這種地層的可通過多種方式形成，包括火山、風或水等，而火星上淺色調的岩石通常與硫酸鹽和粘土等水合礦物有關。

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該軌道器還幫助科學家們確定了火星大部分表面所覆蓋的厚厚平坦層為冰和塵混合物。

位於淺地表下的冰層被認為是重大氣候頻繁變化結果，火星軌道和傾角的變化導致從極地到相當於德克薩斯所在緯度區的水冰分布發生重大變化。在某些氣候時期，水蒸氣離開極地冰層進入大氣，在低緯度區形成大量與塵埃混合的霜或雪沉積物。火星大氣層中含有大量的塵埃微粒，當水蒸氣在塵埃顆粒上凝結後，由於額外增加的重量，這些顆粒會落到地面構成一層厚厚的含冰覆蓋層。當覆蓋層頂部的冰升華返回大氣層後，則留下了一層塵埃，從而隔絕了下方剩留的水冰。

2008年，利用火星勘測軌道飛行器上淺層雷達進行的研究提供了強有力的證據，證明希臘平原和中北緯地區的舌狀岩屑坡（LDA）是覆蓋著一層薄岩屑的冰川。雷達探測到了來自舌狀岩屑坡頂層和底部的強烈反射信號，這意味著該構造大部分是由純淨水冰組成。舌狀岩屑坡中水冰的發現，表明在更低緯度區也能找到水。

2009年9月發表的研究表明，火星上一些新隕石坑顯示出裸露的純水冰。一段時間後，這些幾英尺厚的冰全部蒸發消失在大氣中。火星勘測軌道飛行器上的小型成像光譜儀（CRISM）證實了冰的存在。

2019年發布的其他合作報告評估了北極的水冰量，一份報告使用了火星勘測軌道飛行器上沙拉德淺層雷達的探測數據。該雷達能以15米（49英尺）的跨度掃描地表以下約2公里（1.2英里）的區域，對雷達運行的分析表明，北極高原下方存在水冰和沙塵層，其中60%至88%為水冰。這支持了由全球冷暖循環構成的火星全球長期天氣理論，即在冷凍期，水在兩極聚集形成冰層，然後隨著全球變暖的發生，未解凍的水冰被火星上頻繁沙塵暴帶來的塵埃和沙土覆蓋。這項研究測定的總冰量表明，火星表面約有2.2×105公里3（5.3×104英里3），如果融化的活，足以形成一層完全覆蓋火星表面的1.5米（4.9英尺）水層。這項研究得到了另一項研究的證實，該研究利用記錄到的重力數據估算了北極高原的密度，表明就平均而言，所含水冰比率高達55%。

通過檢查高解析度成像科學設備拍攝的照片，在烏托邦平原（北緯35-50度、東經80-115度）發現了許多看起來像地球上冰核丘的地貌，冰核丘是有一顆大冰核的土丘，常見於永久凍土地帶。

### 好奇號火星車

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美國宇航局好奇號探測車在任務執行初期，就在火星上發現了清晰的河流沉積物。這些露頭中的卵石特性表明，以前河床上曾奔流著強勁的水流，水流深度達腳踝和腰部之間。這些岩石是從隕石坑壁向下的沖積扇底部發現的，而這一衝積扇系統是以前從軌道上所識別出的。

2012年10月，好奇號對火星土壤進行了首次X射線衍射分析。結果顯示存在包括長石、輝石和橄欖石等在內的多種礦物，並表明樣品中的火星土壤與夏威夷火山風化玄武岩土壤相類似。所使用的樣本由來自全球沙塵暴的塵埃和當地細砂組成。截止目前，好奇號分析的材料與對蓋爾撞擊坑中沉積物的最初看法相一致，這些沉積物記錄了從潮濕到乾燥環境期的變遷過程。

2012年12月，美國宇航局報告說好奇號進行了首次全面性的土壤分析，揭示了火星土壤中存在水分子、硫和氯。2013年3月，美國宇航局報告了礦物水合作用的證據，在多個岩石樣本中，包括被碾破的「廷蒂納岩石」碎塊和「薩頓內露層」岩石，以及「克諾爾」（Knorr）和「韋內克」（Wernicke）等其他岩石的礦脈和結核中可能存在水合硫酸鈣。在探測車從布雷德伯里著陸場到格萊內爾格地的黃刀灣區穿越過程中，車載動態中子返照率設備（DAN）所作的分析提供了地下水的證據，顯示地下水含量高達4%，深度為60厘米（2.0英尺）左右。

2013年9月26日，美國宇航局科學家報告說，火星好奇號探測車在蓋爾撞擊坑埃俄利斯沼石巢區的土壤樣本中檢測到大量化學結合態水（重量比1.5-3%）。此外，美國宇航局報告，探測車發現了兩種主要的土壤類型：細粒鐵鎂質型和局部衍生的粗粒長英質型。鐵鎂質型與其他火星土壤及塵埃相類似，與土壤非晶態相的水合作用有關。另外，在好奇號探測車著陸點（以及時間更早更靠近極地的鳳凰號著陸器位置）都發現了可能使生命相關有機分子檢測變得困難的高氯酸鹽，表明「這些鹽類在全球範圍內分布」。美國宇航局還報告，好奇號在前往格萊內爾格途中遇到的一塊傑克·馬蒂耶維奇岩石，是一種橄欖粗安岩，與地球上的非常相似。

2013年12月9日，美國宇航局報告，火星蓋爾隕石坑內曾擁有過一座適宜微生物生存的大型淡水湖。

2014年12月16日，又報告稱火星大氣層中的甲烷含量出現異常的大幅起落；此外，好奇號探測車從岩石上鑽取的粉末中檢測到了有機化學物質。另外，根據氘氫比研究，發現火星蓋爾撞擊坑中大部分的水在古代即撞擊坑湖床形成前就已流失，之後湖水繼續大量流失。

2015年4月13日，《自然》雜誌發表了一份好奇號所收集濕度和地面溫度數據的分析報告，顯示了火星夜間地表5厘米以下會形成液態滷水膜的證據，但水的活性和溫度仍低於地球上所知微生物繁衍和代謝的要求。

2015年10月8日，美國宇航局確認，33-38億年前蓋爾撞擊坑中湖泊和溪流搬運、堆積的沉積物構成了夏普山的下層山體。2018年11月4日，地質學家根據好奇號火星車對蓋爾撞擊坑的研究提出了證據，證明早期火星上曾存在過大量的水。

### 火星快車號

由歐空局發射的火星快車號軌道飛行器一直在繪製火星表面地圖，並使用雷達設備尋找地下水的證據。2012年至2015年間，軌道器掃描了南極高原冰蓋下的區域。到2018年，科學家們確定，讀數顯示有一座約20公里（12英里）寬的地下湖泊，湖頂位於地表面下1.5公里（0.93英里）處，液態水的深度還不清楚。

## 另請查看

- 火星大氣層#水汽–環火星的氣體層。
- 火星氣候–類地行星的氣候模式。
- 火星殖民–人類在火星定居的擬議概念。
- 火星和地球上水的演化
- 地外液態水–地球外自然存在的液態水。
- 火星湖泊–火星上湖泊的存在概述。
- 火星生命–火星上微生物宜居性的科學評估。
- 火星快車號§科學發現和重要事件
- 火星全球探勘者號§火星上水冰的發現
- 火星運河 –19世紀末20世紀初火星上存在運河的想法。
- 火星泥裂縫

## 外部連結

- 美國宇航局—「好奇號」探測車發現了古河床的證據—2012年9月
- 圖像—火星上水的跡象 （高解析度成像科學設備
- 影片（02:01）—火星上發現的液態流水—2011年8月
- 影片（04:32）—證據：水「強勁」地在火星上流動—2012年9月
- 影片（03:56）—測量火星遠古海洋—2015年3月
- - 傑弗里·普勞特-地下冰-2018年第21屆國際火星協會年會
- 克里斯·麥凱：鳳凰號火星任務和地球模擬地點的結果
- 火星地球化不可能使用現在的技術