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火星には、水氷とドライアイス（凍った二酸化炭素、CO₂ ）からなる永久的な極冠が2つあります。数キロメートルの厚さの水氷永久凍土層の上には、極の冬の間、ドライアイスの塊が堆積し、 [ 1 ] [ 2 ]継続的な暗闇の中にあるため、大気の25～30%が毎年どちらかの極に堆積します。極が再び日光にさらされると、凍ったCO₂は昇華します。[ 3 ]これらの季節的な作用により、大量の塵と水蒸気が運ばれ、地球のような霜と大きな巻雲が発生します。
両極のキャップは主に水氷で構成されています。北極のキャップには、北半球の冬に厚さ約 1 メートルの比較的薄い層として凍った二酸化炭素 が蓄積しますが、南極のキャップには厚さ約 8 メートルの永久的なドライアイスの層があります。[ 4 ]北極のキャップは 、北半球の夏の間、直径が約 1000 km で、[ 5 ]約 160 万立方 km の氷を含み、キャップ全体に均等に広げると 厚さ 2 km になります。[ 6 ] (これは、グリーンランド氷床の体積 285 万立方 km (km 3 )と比較されます。) 南極のキャップは、直径が 350 km、厚さが 3 km です。[ 7 ]南極のキャップと隣接する層状堆積物の合計氷量も 160 万立方 km と推定されています。[ 8 ]両極冠には螺旋状の谷が見られ、SHARAD氷透過レーダーの分析によると、これはコリオリ効果により螺旋状に巻くほぼ垂直なカタバティック風の結果であることが示されている。[ 9 ] [ 10 ]
南極氷冠付近の一部の地域では季節的な霜により、 地上に厚さ 1 m の透明なドライアイスの板が形成されます。春になると、太陽光が地下を温め、昇華する CO 2による圧力が板の下に蓄積され、板が隆起して最終的に破裂します。これにより、暗い玄武岩質の砂や塵と混ざった CO 2ガスが間欠泉のように噴出します。このプロセスは急速で、数日、数週間、または数か月の間に起こることが観察されており、地質学、特に火星ではかなり珍しい変化の速度です。板の下を流れて間欠泉の場所に向かうガスは、氷の下に放射状の溝のクモのようなパターンを刻みます。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
2018年、イタリアの科学者らは、レーダー反射の測定結果から、火星の南極層状堆積物の表面下1.5 km (0.93 mi) (目に見える永久氷冠の下ではない)に氷底湖が存在する可能性があり、その直径は約20 km (12 mi)であると報告した。これが確認されれば、火星で初めて確認された安定した水域となる。[ 15 ] [ 16 ]しかし、レーダー反射は液体の水ではなく、固体の鉱物や塩氷を示している可能性もある。[ 17 ] [ 18 ]
16 年にわたる火星周回宇宙船の軌道のわずかな変化に基づく研究により、毎年冬に約 3 兆～ 4 兆トンの二酸化炭素が大気から凍結して冬半球の極冠に降り注ぐことがわかった。これは火星大気全体の質量の 12 ～ 16 パーセントに相当する。これらの観測結果は、火星全球参照大気モデル - 2010 の予測を裏付けている。[ 19 ] [ 20 ]
両極冠には、季節的な融解と火星の砂嵐による塵とともに氷が堆積した結果生じる、極層状堆積物と呼ばれる層状構造が見られます。地球の年輪パターンや氷床コアデータと同様に、これらの層からは火星の過去の気候に関する情報が最終的に明らかになるかもしれません。両極冠には、おそらく風の流れのパターンによって生じた溝状の構造も見られます。溝は塵の量にも影響されます。[ 21 ]塵が多いほど表面は暗くなります。表面が暗いほど融解が進みます。暗い表面はより多くの光エネルギーを吸収します。大きな溝を説明しようとする他の理論もあります。[ 22 ] : 155
中国の火星探査車「祝栄」は、火星のユートピア平原地域を調査し、異なる方向に伸びる砂丘を発見した。明るいバルハンと暗い縦方向の砂丘は、卓越風場が約70°変化した証拠である。研究者らは、砂丘は地軸の傾きが変化し、風向きが変わったときに形成されたと考えている。ほぼ同時期に、火星の北極の氷冠の層にも変化が見られる。[ 23 ]
重水素は、水素の最も一般的な同位体であるプロチウムに比べて重い同位体です。そのため、どの天体の重水素も、プロチウムに比べて恒星風によって宇宙に運ばれる可能性が統計的にずっと低くなります。火星にはかつて、少なくとも深さ137メートルの全球的な海を作るのに十分な水があったという証拠は、北極冠上のHDOとH2Oの比率の測定から得られています。2015年3月、科学者チームは、極冠の氷が地球の海の水の約8倍重水素に富んでいることを示す結果を発表しました。これは、火星が現在の極冠に蓄えられている水の6.5倍もの量の水を失ったことを意味します。その水は一時的に、低地のヴァスティタス・ボレアリスと隣接する低地（アシダリア、アルカディア、ユートピア・プラニティアエ）に海を形成していた可能性があります。もし水がすべて液体で地表にあったとしたら、地球の20％を覆い、場所によっては深さが1マイル（約1.6キロメートル）近くに達していたでしょう。
この国際チームは、ESOの超大型望遠鏡とWMケック天文台およびNASA赤外線望遠鏡施設の機器を使用して、6年間にわたって火星の大気中の水のさまざまな同位体形態をマッピングしました。[ 24 ] [ 25 ]
北極の氷冠の大部分は水氷で構成されていますが、その上には固体二酸化炭素であるドライアイスの薄い季節的な層もあります。冬になると、ドライアイスが1.5～2メートル加わることで氷冠は成長します。夏には、ドライアイスは昇華（固体から直接気体になる）して大気中に放出されます。火星の自転軸の傾きが地球の自転軸の傾きに近い（火星は25.19°、地球は23.44°）ため、火星には地球と似た季節があります。
火星では毎年、北半球と南半球の冬の間、火星の薄い二酸化炭素（CO2）大気の3分の1が凍結します。科学者たちは、二酸化炭素の移動によって火星の重力場にわずかな変化が生じることも測定しています。[ 26 ]
北極冠は南極冠よりも標高が低い（基底が-5000m、頂部が-2000m）（南極冠は基底が1000m、頂部が3500m）。[ 27 ] [ 28 ]また、北極冠は南極冠よりも温暖なため、凍結した二酸化炭素は毎年夏にすべて消失する。[ 29 ]夏を生き残る部分は北極残存冠と呼ばれ、水氷でできている。この水氷は厚さが最大3キロメートルにもなると考えられている。はるかに薄い季節的な冠は、さまざまな雲が形成される晩夏から初秋にかけて形成され始める。極フードと呼ばれる雲は降水をもたらし、冠を厚くする。北極冠は極を中心として対称で、緯度約60度まで表面を覆っている。NASAの火星グローバルサーベイヤーで撮影された高解像度画像によると、北極冠は主に窪み、亀裂、小さな隆起、こぶで覆われており、カッテージチーズのような外観をしている。これらの窪みは、南極冠にある非常に異なる窪みと比べて、互いに非常に近い間隔で分布している。
両極冠には、季節的な氷の融解と火星の砂嵐による塵の堆積によって生じる層状構造が見られます。これらの極地の層状堆積物は、永久極冠の下にあります。地球の年輪パターンや氷床コアデータと同様に、これらの層から火星の過去の気候に関する情報が最終的に明らかになるかもしれません。両極冠には溝状構造も見られますが、これはおそらく風の流れのパターンと太陽の角度によって引き起こされたものと考えられますが、いくつかの説が提唱されています。溝は塵の量にも影響されます。[ 21 ]塵が多いほど表面は暗くなります。表面が暗いほど融解が進みます。暗い表面はより多くの光エネルギーを吸収します。大きな谷であるチャスマ・ボレアレは、極冠の半分を横切っています。 幅約100km、深さ最大2kmで、地球のグランドキャニオン よりも深いです。[ 30 ]
地軸の傾きや傾斜角が変化すると、極冠の大きさも変化します。傾きが最大になると、極地はより多くの太陽光を、より長い時間受けることになります。余分な太陽光によって氷が溶け、地表の一部が10 メートルもの氷で覆われるほどになります。この地軸の傾きによる気候変動が起こったときに形成されたと思われる氷河の証拠が数多く見つかっています。[ 31 ]
2009年に発表された研究によると、氷冠の氷を多く含む層は、火星の気候変動モデルと一致する。NASAの火星偵察オービターのレーダー機器は、層間の電気的特性のコントラストを測定できる。反射率のパターンは、層内の物質の変化のパターンを明らかにする。レーダーは、火星の北極の層状堆積物の断面図を作成した。複数のコントラストのある層からなる高反射率ゾーンは、低反射率ゾーンと交互に現れる。これら2種類のゾーンがどのように交互に現れるかのパターンは、火星の傾きの変化モデルと相関させることができる。北極の層状堆積物の最上層（最も最近堆積した部分）はレーダー反射率が高いため、研究者らは、このような高コントラストの層状構造は、火星の自転軸が最近あまり変化していないため、惑星の傾きの変動が比較的小さい期間に対応すると提案している。塵の多い層は、大気中の塵が多い時期に堆積したと考えられる。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
HiRISEの画像を用いた2010年1月に発表された研究によると、地層の理解はこれまで考えられていたよりも複雑である。地層の明るさは塵の量だけに依存するわけではない。太陽の角度と探査機の角度がカメラで捉えられる明るさに大きく影響する。この角度は、谷壁の形状や向きなどの要因によって決まる。さらに、表面の粗さによってアルベド（反射光量）が大きく変化することもある。加えて、多くの場合、実際に見えているのは地層ではなく、新しくできた霜の層である。これらの要因はすべて、表面を侵食する風の影響を受ける。HiRISEカメラは、マーズ・グローバル・サーベイヤーが捉えた地層よりも薄い地層を明らかにすることはできなかった。しかし、地層内部のより詳細な構造を捉えることができた。[ 35 ]
北極氷冠のレーダー測定により、氷冠の層状堆積物中の水氷の体積は821,000立方キロメートル（197,000平方マイル）であることが判明した。これは地球のグリーンランド氷床の30%に相当する。（層状堆積物は、さらに基底の氷の堆積物の上に重なっている。）このレーダーは火星偵察オービターに搭載されている。[ 32 ]
SHARADレーダーデータを組み合わせて3Dモデルを作成すると、埋没したクレーターが明らかになる。これらは特定の地層の年代測定に使用できる。[ 34 ]
2017年2月、ESAは火星の北極の新しい画像を公開した。これは、マーズ・エクスプレスの32回の周回から作成されたモザイク画像である。[ 36 ] [ 37 ]
2023年にNatureに掲載された論文で、研究者らは約40万年前に北極の氷冠層で急激な明るさの増加が起こったことを発見した。この変化は、祝栄探査車が探査した地域で見られる風向の変化を引き起こした可能性がある。[ 38 ]
南極の永久冠は北極の永久冠よりはるかに小さい。 直径は400 kmで、 北極の1100 kmに比べて小さい。[ 22 ] : 154南の冬には、氷冠は緯度50°まで表面を覆う。[ 39 ] 氷冠の一部はドライアイス、つまり固体の二酸化炭素で構成されている。氷冠は、極の雲の雲から降ったドライアイスが1.5～2メートル加わることで、毎年冬に成長する。夏には、ドライアイスは昇華（固体から直接気体になる）して大気中に入る。火星では、毎年、北半球と南半球の冬に、火星の薄い二酸化炭素（CO2 ）大気の3分の1が「凍結」する。科学者たちは、二酸化炭素の移動による火星の重力場のわずかな変化さえ測定している。言い換えれば、冬の氷の蓄積は惑星の重力を変化させる。[ 26 ] 火星の自転軸の傾きが地球の自転軸の傾きに近いため、火星には地球と似た季節があります（火星は25.19°、地球は23.45°）。南極冠は北極冠よりも標高が高く、気温も低くなっています。[ 29 ]
残存する南極氷冠はずれており、つまり南極を中心としていません。しかし、南極の季節氷冠は地理上の極付近を中心としています。[ 22 ]： 154研究によると、氷冠が中心からずれているのは、片側に他方よりもはるかに多くの雪が降るためです。南極の西半球側では、ヘラス盆地によって風向きが変わるため、低気圧システムが形成されます。このシステムはより多くの雪を生み出します。反対側では、雪は少なく、霜が多くなります。雪は夏にはより多くの太陽光を反射する傾向があるため、あまり溶けたり昇華したりしません（火星の気候では、雪は固体から直接気体になります）。一方、霜は表面が粗く、より多くの太陽光を閉じ込める傾向があるため、より多くの昇華が起こります。言い換えれば、より粗い霜が多い地域は暖かいのです。[ 40 ]
2011年4月に発表された研究では、南極付近に大量の凍結二酸化炭素が堆積していることが報告されている。この堆積物の大部分は、火星の自転軸の傾きが増加すると火星の大気圏に流入すると考えられる。この現象が起こると、大気が厚くなり、風が強くなり、地表のより広い範囲で液体の水が存在できるようになる。 [ 41 ] データ分析によると、これらの堆積物がすべて気体になった場合、火星の大気圧は2倍になるという。[ 42 ] これらの堆積物は3つの層からなり、それぞれが30メートルの水氷の層で覆われており、CO2が大気中に昇華するのを防いでいる。昇華とは、固体物質が直接気体になる現象である。これらの3つの層は、気候変動によって大気が崩壊した時期と関連している。[ 43 ]
南極周辺には、ドルサ・アルジェンテア層と呼ばれる広大なエスカー地帯が存在する。これは巨大な氷床の残骸であると考えられている。[ 44 ]この巨大な極地氷床は、約150万平方キロメートルを覆っていたと考えられている。その面積はテキサス 州の面積の2倍である。[ 45 ] [ 46 ]
2018年7月、ESAは火星探査機マーズ・エクスプレスが生成したレーダーパルスの反射を分析することにより、氷と塵の層の下に埋もれた液体の塩水の存在を示す兆候を発見した。[ 16 ]
火星の北極冠はカッテージチーズに似た平らで穴だらけの表面をしているが、南極冠はより大きな穴、溝、平らなメサがあり、スイスチーズのような外観をしている。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] 火星の南極残存冠の上層は、円形のくぼみのある平らな頂上のメサに侵食されている。[ 51 ] 2001年に火星周回カメラで行われた観測では、南極冠の崖と穴の壁が1999年以降平均約3メートル（9.8フィート）の速度で後退していることが示された。言い換えれば、火星の1年あたり3メートル後退していた。キャップの一部の場所では、崖の後退は火星の1年あたり3メートル未満であり、他の場所では火星の1年あたり最大8メートル（26フィート）後退することがある。時間が経つにつれて、南極の窪地は合体して平原になり、メサはビュートになり、ビュートは永遠に消え去ります。丸い形は、おそらく太陽の角度によって形成が促進されています。夏の間、太陽は空を移動し、時には毎日24時間、地平線のすぐ上に位置します。その結果、丸い窪地の壁は床よりも強い日光を受け、壁は床よりもはるかに溶けます。壁は溶けて後退しますが、床はそのまま残ります。[ 52 ] [ 53 ]
その後、強力なHiRISEによる調査により、ピットは、はるかに大きな水氷のキャップの上に載っている厚さ1～10メートルのドライアイスの層にあることが明らかになった。ピットは、かすかな亀裂に沿った小さな領域から始まることが観察されている。円形のピットは、太陽光を集中させる急な壁を持ち、それによって侵食が増加する。ピットが発達するには、約10cmの急な壁 と5メートルを超える長さが必要である。[ 54 ]
下の写真を見ると、なぜ表面がスイスチーズに似ていると言われるのかが分かります。また、2年間の変化も観察できます。
スターバーストチャネルは、羽毛状に広がるチャネルのパターンです。これは、ガスが塵とともに放出されることで生じます。春に気温が上昇すると、ガスは半透明の氷の下に蓄積されます。[ 55 ] 通常、幅500メートル、深さ1メートルのクモは、わずか数日で目に見える変化を起こすことがあります。[ 56 ]クモの形成を理解するためのモデルの一つは、太陽光が氷の中の塵の粒子を加熱するというものです。温まった塵の粒子は氷を溶かして沈み、その背後の穴は焼きなましされます。その結果、氷はかなり透明になります。次に、太陽光が氷板の暗い底に到達し、固体の二酸化炭素氷をガスに変え、ガスは表面に開いているより高い領域に向かって流れます。ガスは暗い塵を伴って勢いよく噴出します。表面の風は、噴出したガスと塵を暗い扇状に吹き飛ばし、それを周回宇宙船で観測します。[ 31 ] [ 57 ]このモデルの物理学は、トリトン の表面から噴出する暗い噴煙を説明するために提唱されたアイデアと似ています。[ 58 ]
HiRISE の画像を使用して 2010 年 1 月に発表された研究では、ガスが侵食を行っているため、クモの巣の溝の一部は上り坂で大きくなることがわかりました。研究者らはまた、ガスが氷の弱い部分にできた亀裂に流れ込むことも発見しました。太陽が地平線から昇るとすぐに、クモの巣からガスが塵を吹き出し、それが風によって吹き飛ばされて暗い扇形を形成します。塵の一部は溝に閉じ込められます。最終的に霜がすべての扇形と溝を覆い、次の春にサイクルが繰り返されます。[ 39 ] [ 59 ]
南極冠の層状堆積物を横切る大きな谷であるチャスマ・アウストラレ。東経90度の側では、堆積物はプロメテウスと呼ばれる大きな盆地の上に堆積している。 [ 60 ]
南極のいくつかの層には、長方形の形をした多角形の亀裂も見られる。これらの亀裂は、地表下の氷の膨張と収縮によって引き起こされたと考えられている。[ 61 ]
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