火星の水

火星表面の主要な岩石は玄武岩であり、これは火星では主に苦鉄質ケイ酸塩鉱物であるカンラン石、輝石、斜長石からなる細粒の火成岩である。[ 87 ]これらの鉱物は^水や大気ガスにさらされると、化学的に風化して新しい（二次）鉱物に変化し、その中には水がH₂O_または水酸基（OH）として結晶構造に取り込まれるものもある。水和（または水酸化）鉱物の例としては、水酸化鉄ゲータイト（地球の土壌の一般的な成分）、蒸発岩鉱物である石膏とキーゼライト、オパールシリカ、カオリナイトやモンモリロナイトなどのフィロケイ酸塩（粘土鉱物とも呼ばれる）などがある。これらの鉱物はすべて火星で検出されている。^{[ 88 ]}

化学的風化の直接的な影響の 1 つは、大気や水圏などの移動可能な貯蔵庫から水やその他の反応性化学種を消費し、岩石や鉱物に隔離することです。^{[ 89 ]}火星の地殻に水和鉱物として貯蔵されている水の量は今のところ不明ですが、かなり多い可能性があります。^{[ 90 ]}例えば、オポチュニティ探査車に搭載された機器によってメリディアニ平原の岩石露頭が調査された鉱物学的モデルは、そこの硫酸塩堆積物が重量比で最大 22% の水を含んでいる可能性があることを示唆しています。^{[ 91 ]}

地球上では、すべての化学的風化反応にはある程度の水が関わっています。^{[ 92 ]}多くの二次鉱物は実際には水を取り込んでいませんが、それでも形成には水が必要です。無水二次鉱物の例としては、多くの炭酸塩、一部の硫酸塩（例：無水石膏）、および鉄酸化物鉱物である赤鉄鉱などの金属酸化物が挙げられます。火星では、これらの風化生成物のいくつかは、理論的には水なしで、または氷として、あるいは薄い分子スケールの膜（単分子層）として存在するわずかな水で形成される可能性があります。 ^{[ 93 ] [ 94 ]}

水溶液中の鉱物は、鉱物が形成された当時の環境の種類を示す敏感な指標です。水溶液中での反応の容易さ（ギブズ自由エネルギーを参照）は、圧力、温度、および関与する気体および溶解性物質の濃度に依存します。^{[ 95 ]}重要な特性は、pHと酸化還元電位（Eh _）の2つです。たとえば、硫酸塩鉱物であるジャロサイトは、低pH（強酸性）の水でのみ形成されます。フィロケイ酸塩は通常、中性から高pH（アルカリ性）の水で形成されます。Eh_は、水系の酸化状態の尺度です。EhとpHを合わせると、熱力学的に最も安定しており、したがって特定の水溶液成分から最も形成されやすい鉱物の種類がわかります。したがって、火星の過去の環境条件（生命に適した条件を含む）は、岩石中に存在する鉱物の種類から推測できます。

水性鉱物は、熱水流体が孔や亀裂を通って移動することによって地下でも形成されることがあります。熱水系を駆動する熱源は、近くのマグマ体または大きな衝突による残留熱である可能性があります。^{[ 96 ]}地球の海洋地殻における重要なタイプの熱水変質の 1 つは蛇紋岩化であり、これは海水が超苦鉄質岩や玄武岩を通過するときに発生します。水と岩石の反応により、カンラン石と輝石中の二価鉄が酸化されて三価鉄 (鉱物マグネタイトとして) が生成され、副産物として分子状水素(H _{2 ) が生成されます。このプロセスにより、特定のフィロケイ酸塩 (蛇紋石鉱物) とさまざまな炭酸塩鉱物の形成を促進する非常にアルカリ性で還元的な (Eh が低い) 環境が生成され、これらが一緒に}蛇紋岩と呼ばれる岩石を形成します。^{[ 97 ]}生成された水素ガスは化学合成生物にとって重要なエネルギー源となるか、CO _{2と反応して}メタンガスを生成する可能性があります。このプロセスは、火星の大気中に報告されている微量のメタンの非生物的起源と考えられています。^{[ 98 ]}蛇紋石鉱物は、結晶構造内に大量の水 (水酸基として) を蓄えることもできます。最近の研究では、火星の古代高地地殻にある仮説上の蛇紋岩には、500 メートル (1,600フィート)の厚さの地球規模相当層 (GEL) の水が蓄えられている可能性があると主張されています。^{[ 99 ]}火星ではいくつかの蛇紋石鉱物が検出されていますが、リモートセンシングデータからは広範囲にわたる露頭は明らかではありません。^{[ 100 ]}この事実は、火星の地殻の深部に大量の蛇紋岩が隠されている可能性を排除するものではありません。 

一次鉱物が二次水鉱物に変化する速度は様々です。一次ケイ酸塩鉱物は、惑星表面の条件よりもはるかに高い圧力と温度でマグマから結晶化します。これらの鉱物は表面環境にさらされると平衡状態から外れ、利用可能な化学成分と相互作用してより安定した鉱物相を形成する傾向があります。一般的に、最も高い温度で結晶化する（冷却中のマグマで最初に固化する）ケイ酸塩鉱物は最も急速に風化します。^{[ 101 ] [ 102 ]}地球と火星では、この基準を満たす最も一般的な鉱物はカンラン石で、水の存在下では粘土鉱物に容易に風化します。カンラン石は火星に広く分布しており、 ^{[ 103 ]}火星の表面が水によって広範囲に変化していないことを示唆していますが、豊富な地質学的証拠はそうではないことを示唆しています。^{[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ]}

火星から来た隕石は60個以上発見されている。^{[ 107 ]}それらのいくつかは、火星にいたときに水にさらされた証拠を含んでいる。玄武岩質シャーゴッタイトと呼ばれる火星隕石の中には、（含水炭酸塩と硫酸塩の存在から）宇宙に放出される前に液体の水にさらされていたと思われるものがある。^{[ 108 ] [ 109 ]}ナクライトと呼ばれる別の種類の隕石は、約6億2000万年前に液体の水に浸され、約1075万年前に小惑星の衝突によって火星から放出されたことが示されている。それらは過去1万年以内に地球に落下した。^{[ 110 ]}火星隕石NWA 7034は、他のほとんどの火星隕石よりも1桁多い水を含んでいる。これは探査車ミッションで研究された玄武岩に似ており、アマゾン初期に形成されたものである。^{[ 111 ] [ 112 ]}  

1996年、科学者たちは火星から飛来した隕石アランヒルズ84001に微化石が存在する可能性を報告した。これは火星に古代生命が存在したという強力な証拠となるはずだった。 ^{[ 113 ]}しかし、現在の科学的コンセンサスは、この隕石には生命の証拠は含まれていないというものである。^{[ 114 ] [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]}

1971年のマリナー9号探査機は、撮影した画像に古代の川床が写っていたため、火星の水に関する私たちの考え方に革命をもたらしました。多くの地域で巨大な古代の川の谷が発見されました。画像は、遠い昔に洪水がダムを破り、深い谷を刻み、岩盤に溝を侵食し、数千キロメートルも流れた証拠を示していました。^{[ 39 ]}南半球の分岐した川床の地域は、かつて雨が降ったことを示唆しています。^{[ 120 ] [ 121 ]}認識されている谷の数は、時間の経過とともに増加しています。2010年6月に発表された研究では、火星に4万の川の谷がマッピングされ、以前に特定されていた川の谷の数が約4倍になりました。^{[ 31 ]}火星の水による浸食地形は、2 つの明確なクラスに分類できます。1) 樹枝状（枝分かれした）、地球規模、広範囲に分布する、ノアキアン時代の谷網、2) 非常に大きく、長く、単一の糸状で、孤立した、ヘスペリアン時代の流出チャネル。最近の研究では、中緯度には、現在謎に包まれた、より小さく、より新しい（ヘスペリアンからアマゾニア）チャネルのクラスも存在する可能性があり、これはおそらく氷堆積物の局所的な融解と関連していると考えられます。^{[ 122 ] [ 123 ]}

火星の一部には、次のような方法で形成された逆流地形が見られます。まず、堆積物が川底に堆積し、方解石や酸化鉄からなるセメントを形成することで侵食に強くなります。最終的に、物理的または化学的なプロセスによって周囲の弱い物質が除去され、これらのプロセスに耐性のある以前の川床が見えるようになります。 ^{[ 124 ]} マーズ・グローバル・サーベイヤーはこのプロセスのいくつかの例を発見しました。^{[ 125 ] [ 126 ]}火星のさまざまな地域、特にメデューサ・フォッサ層、^{[ 127 ]}ミヤモト・クレーター、^{[ 128 ]}サヘキ・クレーター、^{[ 129 ]}およびジュヴェンタエ高原で、多くの逆流地形が発見されています。^{[ 130 ] [ 131 ]}

火星ではさまざまな湖盆が発見されています。^{[ 132 ]}中には、カスピ海、黒海、バイカル湖など、地球上で最大の湖に匹敵する大きさのものもあります。谷のネットワークによって水が供給された湖は、南部の高地にあります。川の谷が流れ込む閉鎖された窪地もあります。これらの地域にはかつて湖があったと考えられています。1つはテラ・シレヌムにあり、溢れた水がマアディム谷を通ってグセフ・クレーターに流れ込み、火星探査ローバー「スピリット」によって探査されました。もう1つはパラナ谷とロワール谷の近くにあります。^{[ 133 ]}降水によって形成された湖もあれば、地下水によって形成された湖もあります。^{[ 43 ] [ 44 ]}アルギレ盆地^{[ 37 ] [ 38 ]}、ヘラス盆地^{[ 45 ]}、そしておそらくマリネリス谷にも湖が存在したと推定されています。^{[ 46 ] [ 134 ] [ 135 ]}ノアキアン時代には、多くのクレーターに湖が存在していた可能性が高い。これらの湖は、最終氷期最盛期の米国西部グレートベースンのような、寒冷で乾燥した（地球の基準で）水文環境と一致する。^{[ 136 ]}

2010年の研究では、火星の赤道付近にも湖が存在していたことが示唆されている。以前の研究では、火星は温暖で湿潤な初期の歴史を持ち、それはずっと後に干上がってしまったとされていたが、これらの湖ははるか後のヘスペリアン期に存在していた。NASAの火星偵察オービターの詳細な画像を用いて、研究者らは、この時期に火山活動の増加、隕石の衝突、あるいは火星の軌道の変化によって火星の大気が温暖化し、地中に豊富に存在する氷が溶けた可能性があると推測している。火山は一時的に大気を厚くするガスを放出し、より多くの太陽光を閉じ込めて液体の水が存在するのに十分な温度にした可能性がある。この研究では、アレス谷付近の湖盆をつなぐ水路が発見された。一つの湖が満水になると、水が堤防を越えて溢れ出し、水路を削って低い場所に別の湖が形成された。^{[ 137 ] [ 138 ]}これらの干上がった湖は、過去の生命の証拠（バイオシグネチャー）を探すためのターゲットとなるだろう。

2012年、NASAの科学者たちは、キュリオシティ探査車がゲール・クレーターで古代の川床の証拠を発見し、火星に古代の「活発な」水の流れがあったことを示唆したと発表した。^{[ 139 ] [ 140 ] [ 141 ] [ 142 ]}特に、現在乾いている川床の分析から、水は時速3.3km （秒速0.92m）で流れていたことが示され、^{[ 139 ]}おそらく腰の高さまで水があったと考えられる。水が流れていた証拠は、強い水流によってのみ風化される丸い小石や砂利の破片の形をとっていた。それらの形状と向きは、ピース・ヴァリスと呼ばれる水路が扇状地に流れ込むクレーターの縁の上から長距離輸送されたことを示唆している。  

エリダニア湖は、表面積がおよそ 110 万平方キロメートルと推定される古代の湖です。^{[ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]}最大水深は 2,400 メートル、体積は 562,000  km ^{3でした。地球上で最大の内陸の海である}カスピ海よりも大きく、火星の他のすべての湖を合わせたよりも多くの水を含んでいました。エリダニア湖の水量は、北アメリカの五大湖すべてを合わせた水の 9 倍以上でした。^{[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ]}湖の表面は、湖を取り囲む谷のネットワークの高さにあると想定されていました。谷はすべて同じ高さで終わっており、湖に流れ込んでいたことを示唆しています。^{[ 149 ] [ 150 ]} CRISM を用いたこの盆地の調査では、サポナイト、タルクサポナイト、鉄に富む雲母（例えば、緑泥石-ノントロナイト）、鉄およびマグネシウム蛇紋石、マグネシウム鉄カルシウム炭酸塩、そしておそらく鉄硫化物を含む、400 メートルを超える厚い堆積物が発見された。鉄硫化物は、火山によって加熱された水から深層水中で形成されたと考えられる。熱水に分類されるこのようなプロセスは、地球上の生命が始まった場所であった可能性がある。^{[ 148 ]}

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  エリダニア海の様々な場所における推定水深を示す地図。この地図の幅は約530マイルです。
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  エリダニア海の海底に堆積した深海堆積物。海底のメサは、深海や氷に覆われていたため、激しい浸食から守られてきた。CRISMによる測定結果から、これらの鉱物は海底熱水鉱床由来である可能性が示唆されている。
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  火山活動がエリダニア海の海底に鉱物を堆積させた可能性を示す図。塩化物は蒸発によって海岸線沿いに堆積した。

研究者たちは、火星の湖で形成されたデルタの例を数多く発見している。 ^{[ 30 ]}デルタの発見は、火星にかつて大量の液体の水が存在していたことを示す重要な証拠である。デルタは通常、長期間にわたって深い水が必要となる。また、堆積物が洗い流されないように、水位が安定している必要がある。デルタは広範囲の地理的範囲で発見されているが、^{[ 43 ]}デルタは火星のかつての北の海の縁に集中している可能性があるという兆候もある。^{[ 151 ]}

1979年までに、流出チャネルは氷で封じられた地下水貯水池の単一の壊滅的な破裂によって形成され、それ以外は乾燥した火星の表面に膨大な量の水を放出したと考えられていた。 ^{[ 152 ] [ 153 ]}さらに、アサバスカ峡谷の巨大な波紋には、大規模な、あるいは壊滅的な洪水の証拠が見られる。^{[ 154 ] [ 155 ]}多くの流出チャネルはカオスまたはカズマ地形から始まっており、地下の氷の封じ込めを破った可能性のある破裂の証拠となっている。^{[ 134 ]}

火星の枝分かれした谷のネットワークは、単一の流出点から生じたものではない樹枝状の形状と、それらに沿って流れたと思われる流出量の両面において、地下水の突然の壊滅的な放出による形成とは一致しない。^{[ 156 ]}その代わりに、一部の著者は、それらは基本的に泉として地下からの地下水のゆっくりとした浸透によって形成されたと主張している。^{[ 157 ]}この解釈を裏付けるものとして、そのようなネットワークの多くの谷の上流端は、地球では通常地下水の浸透に関連付けられる箱型峡谷または「円形劇場」の頭部から始まっている。また、チャネルの先端にはより細かいスケールのチャネルや谷の証拠はほとんどなく、一部の著者はこれを、流れが地表全体に徐々に蓄積されるのではなく、かなりの量の流出を伴って地下から突然現れたことを示していると解釈している。^{[ 134 ]}地上の例では、円形劇場状の谷頭と地下水による形成との関連性に異議を唱える者もおり、^{[ 158 ]}谷網に細かいスケールの谷頭がないのは、風化や衝撃による地形の侵食によってそれらが除去されたためだと主張している。^{[ 134 ]}ほとんどの著者は、ほとんどの谷網は少なくとも部分的には地下水の浸透プロセスによって影響を受け、形作られたことを認めている。

地下水は、火星の広範囲にわたる堆積パターンとプロセスを制御する上でも重要な役割を果たしました。^{[ 160 ]}この仮説によれば、溶解した鉱物を含む地下水がクレーター内やその周辺の地表に現れ、鉱物、特に硫酸塩を加えて堆積物を固めることで層の形成を助けました。^{[ 159 ] [ 161 ] [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ]}言い換えれば、いくつかの層は、上昇する地下水が鉱物を堆積させ、既存の緩い風成堆積物を固めることによって形成された可能性があります。その結果、硬化した層は侵食からより保護されます。2011年に発表された、火星偵察オービターのデータを使用した研究では、アラビアテラを含む広い領域に同じ種類の堆積物が存在することが示されています。^{[ 166 ]}堆積岩が豊富な地域は、地域規模で地下水の湧昇を経験した可能性が最も高い地域でもあると主張されている。^{[ 167 ]}

2019年2月、ヨーロッパの科学者たちは、おそらく広大な海とつながっていたと考えられる古代の惑星規模の地下水システムの地質学的証拠を発表した。^{[ 168 ] [ 169 ] [ 170 ] [ 171 ]}

火星海洋仮説は、ヴァスティタス・ボレアリス盆地が少なくとも一度は液体の水の海であった場所であると提唱し、^{[ 23 ]}火星の地質史の初期には火星表面のほぼ3分の1が液体の海で覆われていたという証拠を提示している。^{[ 132 ] [ 173 ]}オケアヌス・ボレアリスと呼ばれるこの海は、[ ^{23 ]惑星}の平均標高より4～5キロメートル（2.5～3.1マイル）低い北半球のヴァスティタス・ボレアリス盆地を満たしていたと考えられている。2つの主要な推定海岸線が示唆されている。1つは、約38億年前の時期に遡り、ハイランドの谷網の形成と同時期のより高い海岸線、もう1つは、おそらくより新しい流出チャネルと相関していると思われるより低い海岸線である。高い方の「アラビア海岸線」は、タルシス火山地域を除いて火星の周囲全体に広がっている。低い方の「デウテロニルス」は、ヴァスティタス・ボレアリス地形に沿っている。^{[ 134 ]}  

2010年6月の研究では、より古い時代の海が火星の36%を覆っていたと結論付けられました。^{[ 30 ] [ 31 ]}火星のすべての地形の高度を測定する火星周回レーザー高度計（MOLA）のデータは、1999年に、そのような海の流域が惑星の約75%を覆っていたと判断するために使用されました。^{[ 174 ]}初期の火星では、表面に液体の水が存在するためには、より温暖な気候とより密度の高い大気が必要でした。^{[ 175 ] [ 176 ]}さらに、多数の谷のネットワークは、過去に惑星上で水循環があった可能性を強く裏付けています。 ^{[ 161 ] [ 177 ]}

火星の原始的な海の存在は科学者の間で依然として議論の的となっており、いくつかの地形を「古代の海岸線」と解釈することには異議が唱えられている。^{[ 178 ] [ 179 ]} 20億年前（2 Ga）と推測される海岸線の問題点の1つは、それが平坦ではないこと、つまり一定の重力ポテンシャル線に沿っていないことである。これは、火山噴火や隕石衝突などによる火星の質量分布の変化が原因である可能性がある。^{[ 180 ]}エリシウム火山地域や、北部平原の下に埋もれている巨大なユートピア盆地が最も可能性の高い原因として挙げられている。^{[ 161 ]} 

2015年3月、科学者たちは、火星の北半球に存在したとみられる古代の火星の海の存在を示す証拠があると発表した。その大きさは地球の北極海とほぼ同じで、火星の表面積の約19%に相当するという。この発見は、現代の火星大気中の水と重水素の比率を地球の比率と比較した結果に基づいている。火星には地球の8倍もの重水素が存在しており、古代の火星には地球よりもはるかに多くの水が存在していたことを示唆している。キュリオシティ探査車による以前の調査では、ゲール・クレーターで重水素の比率が高いことが確認されていたが、海の存在を示唆するほど高い値ではなかった。他の科学者たちは、この新たな研究はまだ確認されていないと注意を促し、火星の気候モデルでは、過去に火星が液体の水を維持できるほど温暖であったことをまだ示していないと指摘している。^{[ 181 ]}

北極海の存在を示す追加証拠が2016年5月に発表され、イスメニウス・ラクス四角形の地表の一部が2つの津波によってどのように変化したかが説明された。これらの津波は小惑星が海に衝突したことによって引き起こされた。どちらの 津波も直径30kmのクレーターを形成するのに十分な強さだったと考えられている。最初の津波は車や小さな家ほどの大きさの岩を巻き上げて運び、波の引き波が岩を移動させて水路を形成した。2番目の津波は海面が300m 低かった時に発生した。2番目の津波は大量の氷を運び、それが谷に堆積した。計算によると、波の平均高さは50mだった が、高さは10mから 120mまで変動した 。数値シミュレーションによると、この特定の海域では、直径30kmの衝突クレーターが 3000万年ごとに2つ形成される。これは、北極海が何百万年も存在していた可能性があることを示唆している。海の存在に反対する論拠の一つは、海岸線の特徴が欠如していることである。これらの特徴は、津波によって洗い流された可能性がある。この研究で調査された火星の部分は、クリュセ平原とアラビア・テラの北西部である。これらの津波は、イスメニウス・ラクス四角形とマレ・アシダリウム四角形の一部の表面に影響を与えた。^{[ 182 ] [ 183 ] ​​[ 184 ]}

2019年7月、火星に古代の海が存在したという報告があり、それは隕石の衝突によってロモノソフ・クレーターが形成された際に発生した巨大津波が原因だった可能性があるとされている。^{[ 185 ] [ 186 ]}

2022年1月、火星の30億年前の気候に関する研究では、閉鎖的な水循環を持つ安定した海洋が存在することが示されています。^{[ 187 ]}彼らは、氷河の氷の形で氷の高地から海洋への戻り水の流れは、地球の最後の氷河期最盛期よりも小さいと推定しています。このシミュレーションには、初めて海洋の循環が含まれています。彼らは、海洋の循環が海洋の凍結を防ぐことを示しています。また、これらのシミュレーションは、古代の氷河谷として特定された観測された地形の特徴と一致していることも示しています。

火星の北極冠（プラヌム・ボレウム）と南極冠（プラヌム・アウストラレ）に氷が存在することは、マリナー9号探査機の時代から知られていました。^{[ 210 ]}しかし、この氷の量と純度は2000年代初頭まで知られていませんでした。2004年、欧州火星探査機マーズ・エクスプレスに搭載されたMARSISレーダー探査機は、南極冠に比較的純度の高い氷が存在し、地表から3.7キロメートル（2.3マイル）の深さまで広がっていることを確認しました。 ^{[ 211 ] [ 212 ]}同様に、マーズ・リコネッサンス・オービターに搭載されたSHARADレーダー探査機は、北極冠の基部が地表から1.5～2キロメートルの深さにあることを観測しました。火星の北極冠と南極冠に存在する氷の総量は、グリーンランド氷床の氷の量に匹敵します。^{[ 213 ]}  

南極地域にはさらに大きな氷床が存在し、古代（ヘスペリアン期）に後退したと考えられており、そこには2000万km³の水氷が含まれていた可能性があり^、これは地球全体を覆う深さ137mの層に相当する。^{[ 214 ] [ 215 ]}

両極冠は、その体積を横切る螺旋状の溝の画像で調べると、内部に豊富な氷と塵の層があることが明らかになり、地下レーダー測定では、これらの層が氷床全体に連続して広がっていることが示されました。この層には、地球の氷床が地球の気候の記録を持っているのと同様に、火星の過去の気候の記録が含まれています。しかし、この記録を読み取るのは簡単ではないため、^{[ 216 ]}多くの研究者が、極冠の構造、歴史、流動特性を理解するためだけでなく、^{[ 134 ]}火星の気候の進化を理解するためにも、この層を研究してきました。^{[ 217 ] [ 218 ]}

極冠の周囲には、クレーター内の小さな氷床が多数存在し、その一部は厚い砂や火星の塵の堆積物の下に埋まっている。^{[ 219 ] [ 220 ]}特に、直径81.4キロメートル（50.6マイル）のコロレフ・クレーターには、表面に露出した水氷が約2,200立方キロメートル（530^立方マイル）あると推定されている。 ^{[ 221 ]}コロレフ・クレーターの底は縁から約2キロメートル（1.2マイル）下にあり、直径最大60キロメートル（37マイル）の深さ1.8キロメートル（1.1マイル）の永久水氷の中央丘で覆われている。^{[ 221 ] [ 222 ]}     

氷底に液体の水が存在する可能性

火星に氷底湖が存在する可能性は、南極のボストーク湖のモデル化によって、この湖が南極の氷河期以前に存在していた可能性があり、火星でも同様のシナリオが起こり得た可能性があることが示されたときに仮説として立てられました。^{[ 223 ]} 2018年7月、イタリア宇宙機関の科学者たちは、火星の南極氷冠の下1.5キロメートル（1マイル）に位置し、水平方向に20キロメートル（10マイル）に広がる氷底湖の可能性を検出したと報告しました。これは、火星に安定した液体の水が存在する可能性を示す最初の証拠です。^{[ 65 ] [ 224 ] [ 225 ] [ 226 ]}この火星の湖の可能性を示す証拠は、欧州火星探査機マーズ・エクスプレスに搭載されたMARSISレーダーのレーダーエコー探査データ^{[ 227 ]}で、 2012年5月から2015年12月の間に収集された明るいスポットから推測された。この湖の可能性の中心は東経193度、南緯81度で、地形的に特異な特徴を示さない平坦な領域だが、東側に窪地がある以外は高地に囲まれている。^{[ 65 ]} NASAの火星偵察オービターに搭載されたSHARADレーダーは、この湖の兆候を捉えていない。  

2020年9月28日、MARSISの発見は、新しいデータを使用し、新しい手法ですべてのデータを再解析することによって裏付けられました。これらの新しいレーダー調査では、火星にさらに3つの氷底湖が存在する可能性が報告されています。これらはすべて、南極の氷冠の下1.5 km (0.93 mi)にあります。最初に発見された最大の湖の大きさは、幅30 km (19 mi)に修正されました。この湖は、それぞれ数キロメートル幅の3つの小さな湖に囲まれています。^{[ 228 ]}    

極冠の基部の温度は205 K (-68 °C; -91 °F)と推定されているため、科学者たちはマグネシウムとカルシウムの過塩素酸塩の不凍効果により水が液体のままでいられると考えている。^{[ 65 ] [ 229 ]}潜在的な湖を覆う 1.5 キロメートル (0.93 マイル) の氷層は、10 ～ 20% の塵が混入した水氷で構成されており、季節によって 1 メートル (3 フィート 3 インチ) の厚さの CO2 氷の層で覆われる。[ 65 _]南極氷冠の生データの^{カバー範囲が}限られているため、発見者たちは「火星の地下水の存在が単一の場所に限られていると結論付ける理由はない」と述べている。^{[ 65 ]}      

2019年に、そのような湖が存在するために必要な物理的条件を調べた研究が発表されました。^{[ 230 ]}この研究では、氷の下で液体の水と過塩素酸塩の混合物が安定する温度に達するために必要な地熱量を計算しました。著者らは、「南極氷の底に大量の過塩素酸塩が局所的に集中しているとしても、典型的な火星の環境は氷を溶かすには寒すぎる …温度を上げるには地殻内の局所的な熱源が必要であり、氷から10km以内のマグマ溜まりがそのような熱源を提供できる可能性がある。この結果は、観測結果の液体の水の解釈が正しければ、火星のマグマ活動はごく最近まで活発であった可能性があることを示唆している」と結論付けました。

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、北極地域の地層の変化とほぼ同時期に砂丘の移動を発見した。研究者らは、その時期に火星の傾きが変化し、祝栄の着陸地点の風や氷冠の地層に変化が生じたと考えている。^{[ 231 ]}

もし実際に液体の湖が存在するならば、その塩水は土壌と混ざり合って泥状になる可能性もある。^{[ 232 ]}湖の塩分濃度が高いと、ほとんどの生物にとって困難が生じるだろう。地球上には、極めて塩分濃度の高い環境でも生育できる好塩菌と呼ばれる生物が存在するが、暗く冷たい高濃度の過塩素酸塩溶液では生育できない。^{[ 232 ]}それにもかかわらず、耐塩性生物は、実験室でNaClO4濃度の上昇にさらされた酵母Debaryomyces hanseniiで観察されたものと同様の生理的適応を利用することで、過塩素_酸塩濃度の上昇に対処できる可能性がある。^{[ 233 ]}

長年にわたり、さまざまな科学者が、火星の表面の一部が地球の周氷河地帯に似ていると示唆してきた。 ^{[ 234 ]}これらの地球上の特徴との類似性から、これらは永久凍土の地域である可能性があると長年主張されてきた。これは、凍った水が地表のすぐ下にあることを示唆している。^{[ 235 ] [ 236 ]}高緯度でよく見られる特徴である模様のある地面は、縞模様や多角形など、さまざまな形状で発生する可能性がある。地球では、これらの形状は土壌の凍結と融解によって引き起こされる。^{[ 237 ]}地形軟化など、火星の地表下に大量の凍った水が存在することを示す他の種類の証拠もある。地形軟化は、鋭い地形の特徴を丸くする。^{[ 238 ]}マーズ・オデッセイのガンマ線分光計からの証拠とフェニックス着陸機による直接測定は、これらの特徴の多くが地中の氷の存在と密接に関連していることを裏付けている。^{[ 239 ]}

2018年、火星偵察オービター（MRO）に搭載されたHiRISEカメラを使用して、研究者らは、厚さ100メートルにも及ぶ露出した水氷床が約1～2メートルの土壌層で覆われている少なくとも8つの侵食斜面を発見した。^{[ 240 ] [ 242 ]}これらの場所は緯度約55度から58度に位置しており、火星表面の約3分の1の下に浅い地中氷が存在することを示唆している。^{[ 240 ]}この画像は、2001年火星探査機の分光計、MROと火星エクスプレスの地中レーダー、およびフェニックス着陸機の現地発掘によって以前に検出されたことを裏付けている。^{[ 240 ]}これらの氷層は、火星の気候史に関する容易にアクセスできる手がかりを保持しており、将来のロボット探査機や有人探査機が凍った水にアクセスできるようにする。^{[ 240 ]}一部の研究者は、これらの堆積物は、惑星の自転軸と軌道が異なっていた数百万年前に存在した氷河の残骸である可能性があると示唆した。（下記の「火星の氷の時代」の項を参照。）2019年に発表されたより詳細な研究では、北緯35度以北、南緯45度以南の緯度に水氷が存在し、表面からわずか数センチメートルのところに塵に覆われた氷の塊があることが発見された。このような条件下で水氷を抽出するには、複雑な装置は必要ない。^{[ 243 ] [ 244 ]}

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  衝撃によって露出した氷が消えていく。

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  HiRISEで撮影された三角形の窪地の壁の拡大図。壁には層が見える。これらの層には氷が含まれている。下層は傾斜しているが、表面近くの層はほぼ水平である。このような層の配置は「傾斜不整合」と呼ばれる。^{[ 245 ]}
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  HiWish プログラムの下で HiRISE によって観測された、氷を多く含む地盤に形成された可能性のある衝突クレーター。場所はイスメニウス・ラクス四角形です。
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  HiRISEがHiWishプログラムで撮影した、氷を多く含む地層に形成された可能性のある衝突クレーターのクローズアップ画像。噴出物が周囲の地層よりも低い位置にあることに注目。高温の噴出物によって氷の一部が溶出し、その結果、噴出物の高さが低下したと考えられる。
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  地表付近の氷の分布図

氷の塊

2005 年 7 月 28 日、欧州宇宙機関は、凍った水で部分的に満たされたクレーターの存在を発表しました。^{[ 255 ]}当時、この発見を「氷の湖」と解釈する人もいました。^{[ 256 ]}欧州宇宙機関の火星探査機マーズ・エクスプレスに搭載された高解像度ステレオカメラで撮影されたクレーターの画像には、火星の北緯のかなり高い緯度の大部分を覆う広大な平原ヴァスティタス・ボレアリスにある、名前のないクレーターの底に広い氷の層がはっきりと写っています。クレーターは北緯約 70.5 度、東経 103 度に位置しています。クレーターの幅は35 キロメートル (22マイル)、深さは約2 キロメートル (1.2マイル)です。クレーターの底と水氷の表面との高低差は約200 メートル (660フィート)です。ESA の科学者たちは、この高低差の大部分は水氷の下にある砂丘によるもので、砂丘は部分的に見えています。科学者たちはこの氷塊を「湖」とは呼ばないものの、この氷塊はその大きさと一年中存在するという点で注目に値する。地球上のさまざまな場所で水氷や霜の層が発見されており、タルシス地域の火山もその一つで、そこでは寒い季節に毎日約15万トンの水氷が形成されて蒸発する。^{[ 257 ]}   

現代の探査機によって火星表面のより多くの部分が撮影されるにつれて、火星表面にはおそらくもっと多くの氷のパッチが散在していることが徐々に明らかになってきた。これらの氷のパッチと思われるものの多くは、火星の中緯度（赤道から北緯/南緯約30～60度）に集中している。例えば、多くの科学者は、これらの緯度帯に広く見られる「緯度依存マントル」または「貼り付けられた地形」などと呼ばれる特徴は、ゆっくりと劣化している塵や破片で覆われた氷のパッチで構成されていると考えている。^{[ 134 ]}破片の被覆は、氷のように反射しない画像に見られる鈍い表面を説明するため、またパッチが完全に昇華することなく長期間存在できるようにするための両方に必要である。これらのパッチは、これらの緯度で見られる溝のような謎めいた水路状の流れの特徴の一部に対する水の供給源である可能性が示唆されている。

南エリシウム平原では、既存の流氷と一致する地表の特徴が発見されている。^{[ 132 ]} 30メートル（98フィート）から30キロメートル（19マイル）の大きさのプレートと思われるものが、大きな浸水域につながる水路で発見されている。これらのプレートには、火星表面の他の場所にある溶岩プレートとは明らかに異なる、分裂と回転の痕跡が見られる。洪水の源は、近くの地質断層ケルベロス・フォッサエで、約200万年から1000万年前の溶岩とともに水が噴出したと考えられている。ケルベロス・フォッサエから噴出した水は、低く平坦な平原に溜まって凍結し、そのような凍結した湖が今も存在する可能性があると示唆されている。^{[ 258 ] [ 259 ] [ 260 ] [ 261 ]}   

火星の多くの広大な地域には氷河が存在するか、かつて存在していた証拠が見られます。高緯度地域の大部分、特にイスメニウス湖四角形には、依然として膨大な量の水氷が存在すると考えられています。^{[ 262 ] [ 263 ]}最近の証拠により、多くの惑星科学者は、水氷が火星の中緯度および高緯度の大部分に氷河として存在し、薄い断熱岩石や塵の被覆によって昇華から保護されていると結論付けています。^{[ 14 ] [ 53 ]}その一例として、デウテロニルス・メンサエと呼ばれる地域にある、葉状デブリエプロンと呼ばれる氷河のような地形があり、数メートルの岩屑の下に氷が広く分布している証拠が見られます。^{[ 53 ]}氷河は、浸食された地形や多くの火山と関連しています。研究者らは、ヘカテス・トロス^{[ 264 ]}、アルシア・モンス^{[ 265 ]}、パヴォニス・モンス^{[ 266 ]}、オリンポス・モンス^{[ 267 ]}に氷河堆積物が存在することを報告している。また、中緯度以上の火星の大きなクレーターにも氷河が存在することが報告されている。

火星の氷河のような地形は、その形状、位置、関連する地形、および記述する著者によって、粘性流動地形^{[ 268 ]}、火星流動地形、葉状デブリエプロン^{[ 53 ]}、または線状谷充填^{[ 49 ]}など、さまざまな名称で知られています。多くの小さな氷河は、クレーターの壁の溝や被覆物質と関連しているようですが、すべてではありません。^{[ 269 ]}線状谷充填として知られる線状堆積物は、北半球のアラビアテラ周辺の溝状地形内のほとんどのチャネルの底に見られる岩で覆われた氷河である可能性が高いです。その表面には、障害物を避けて曲がる隆起と溝のある物質があります。線状底堆積物は、軌道レーダーによって大量の氷が含まれていることが証明されている葉状デブリエプロンに関連している可能性があります。 ^{[ 14 ] [ 53 ]}長年にわたり、研究者たちは「葉状堆積物エプロン」と呼ばれる地形を氷河の流れと解釈し、断熱岩石層の下に氷が存在すると考えていた。^{[ 52 ] [ 270 ] [ 271 ]}新しい機器の測定値により、葉状堆積物エプロンは岩石層で覆われたほぼ純粋な氷で構成されていることが確認された。^{[ 14 ] [ 53 ]}

SHARADデータの分析により、研究者らは、葉状デブリ エプロン (LDA) は 80% 以上が純粋な氷であると結論付けました。論文の著者らは地球上の 5 か所の異なる場所を調査し、すべてで高レベルの純粋な水氷を示しました。^{[ 272 ] [ 273 ] [ 274 ]}氷の含有量の純度が高いことから、著者らは氷河の形成は大気降水または直接凝結によって起こったと主張しました。氷河が形成された後、昇華が促進されてラグ層が形成されたり、水氷氷河の上に乾燥したデブリが蓄積されたりした時期がありました。その乾燥したデブリが、下にある氷が溶けるのを防ぐ断熱材となりました。^{[ 275 ]}

移動する氷は岩石物質を運び、氷が消えるときにそれを落とします。これは通常、氷河の末端または縁で起こります。地球では、このような地形はモレーンと呼ばれますが、火星では、通常、モレーン状の尾根、同心円状の尾根、または弧状の尾根として知られています。^{[ 276 ]}火星では氷が溶けるよりも昇華する傾向があり、火星の低温は氷河を「低温ベース」（氷床に凍り付いていて滑ることができない）にする傾向があるため、これらの氷河の残骸とそれらが残す尾根は、地球の通常の氷河とまったく同じには見えません。特に、火星のモレーンは、下にある地形によって偏向されることなく堆積する傾向があり、これは火星の氷河の氷が通常凍り付いていて滑ることができないという事実を反映していると考えられています。^{[ 134 ]}氷河の表面にある堆積物の尾根は、氷の移動方向を示しています。氷河の表面は、埋もれた氷の昇華によって粗い質感を持つことがあります。氷は溶けずに蒸発し、空洞を残します。その上にあった物質は、空洞に崩れ落ちます。^{[ 277 ]}時には氷の塊が氷河から落ちて地表に埋もれることがあります。それらが溶けると、ほぼ円形の穴が残ります。このような「ケトルホール」は火星で多数確認されています。^{[ 278 ]}

火星に氷河の流れがあったという強力な証拠があるにもかかわらず、U字谷、岩壁と尾根丘、稜線、ドラムリンなど、氷河侵食によって形成された地形の確証はほとんど得られていない。このような地形は地球の氷河地帯には豊富に存在するため、火星に存在しないことは不可解である。これらの地形の欠如は、火星の最近の氷河のほとんどが低温の氷床であることに関係していると考えられている。火星に到達する太陽​​放射量、大気の温度と密度、地熱流束はすべて地球よりも低いため、モデルによると、氷河とその底面との境界面の温度は氷点下にとどまり、氷は文字通り地面に凍り付いている。これにより氷が底面を滑ることがなくなり、氷が表面を侵食する能力が阻害されると考えられている。^{[ 134 ]}

2024年8月、研究者らは、地表から6～12マイル（10～20km）下の岩石の外殻の奥深くにある岩の微細な亀裂や孔に閉じ込められた液体の水の存在を示唆する地震計の新たな分析結果を報告した。このデータは、NASAの火星探査機インサイトが惑星の奥深くから4年間にわたって記録した振動（火星地震）から得られたものである。^{[ 279 ] [ 280 ] [ 281 ]}

この研究では、インサイト着陸機の真下の火星の部分のみを分析した。しかし、研究者らは、もし彼らの発見が火星の残りの部分を代表するものであれば、火星の表面には海を満たすのに十分な水があり、火星全体を深さ1マイル（1.6キロメートル）まで覆うことができるだろうと推測した。^{[ 280 ]}

2021年の研究では、火星における重水素と水素の観測された比率に基づいて、火星の水の30～99パーセントが地殻に閉じ込められており、そのほとんどは含水鉱物の形で存在すると推定されている。^{[ 282 ]}

純粋な液体の水は、現在の低い気圧と低い温度では、数時間だけ最も低い標高を除いて沸騰してしまうため、火星の表面で安定した形で存在することはできません。^{[ 284 ] [ 285 ]}そのため、2006年にNASAの火星偵察オービターの観測により、 10年前には存在しなかった溝の堆積物が明らかになり、火星の最も暖かい月に流れる液体の塩水によって引き起こされた可能性があることが判明し、地質学的な謎が始まりました。 ^{[ 286 ] [ 287 ]}これらの画像は、テラ・シレヌムとケンタウリ・モンテスの2つのクレーターのもので、1999年から2001年の間に火星で流れ（湿潤または乾燥）が存在したことを示しているようです。^{[ 286 ] [ 288 ] [ 289 ]}

谷が液体の水によって形成されるかどうかについては、科学界で意見が分かれている。一部の科学者は、ほとんどの谷は雪や氷が溶けてできた液体の水によって形成されると考えているが、^{[ 290 ] [ 291 ] [ 292 ]}他の科学者は、谷は火星の大気が凍結してできた二酸化炭素が昇華してできたものによって潤滑された乾燥した流れによって形成されると考えている。^{[ 293 ] [ 235 ] [ 294 ]}

いくつかの研究では、南部高地に形成される谷は不適切な条件のため水によって形成されたものではないと証明されています。低圧で地熱のない寒冷な地域では、年間を通して液体の水は発生しませんが、固体の二酸化炭素には理想的です。暖かい夏に二酸化炭素が溶けると液体の二酸化炭素が生成され、それが谷を形成します。^{[ 295 ] [ 296 ]}たとえ谷が地表を流れる水によって削られたとしても、水の正確な発生源やその動きのメカニズムは理解されていません。^{[ 297 ]}

2011年8月、NASAは南半球のクレーター縁付近の岩石露頭下の急斜面で、季節的な変化が見られることを発表した。現在、再発性斜面線状構造（RSL）と呼ばれるこれらの暗い筋は、火星の夏の最も暖かい時期に斜面を下って成長し、その後、残りの期間を通して徐々に薄れていき、年ごとに周期的に繰り返されることが観察された。^{[ 2 ]}研究者らは、これらの痕跡は塩水（塩水）が斜面を下って流れ、その後蒸発し、何らかの残留物を残すことと一致すると示唆した。^{[ 298 ] [ 299 ]}その後、CRISM分光装置は、これらの再発性斜面線状構造が形成されるのと同時に出現する含水塩を直接観測し、2015年にこれらの線状構造が浅い土壌を通過する液状塩水の流れによって生成されることを確認した。線状構造には、水和塩素酸塩と過塩素酸塩（ClO₄⁻）が含まれている。₄ ⁻)、液体の水分子を含む。 ^{[ 300 ]}線状構造は、火星の夏、気温が−23°C (−9°F; 250K)。 ^{[ 301 ]}しかし、水の源は不明のままである。 ^{[ 1 ] [ 302 ] [ 303 ]}しかし、火星探査機マーズ・オデッセイが10年以上にわたって取得した中性子分光計データは、2017 年 12 月に発表され、活動的な場所に水 (水素化レゴリス) の証拠がないことを示しているため、著者らは、短命な大気中の水蒸気潮解または乾燥した粒状流のいずれかの仮説を支持している。 ^{[ 235 ]}彼らは、今日の火星の液体の水は、大気からの溶解した水分の痕跡と薄膜に限られている可能性があり、それは現在知られている生命にとって厳しい環境であると結論付けている。 ^{[ 304 ]}   

別のシナリオとしては、粒状物質に影が生じる際の光泳動によるクヌーセンポンプ効果が挙げられる。^{[ 305 ]}著者らは、RSLがガルニ火口で28°の角度で停止したことを示し、これは乾燥した粒状雪崩と一致するとしている。さらに、著者らは、水の検出が間接的なもの（塩の検出はできたが水の検出はできなかった）であったことなど、湿潤仮説のいくつかの限界を指摘した。

フェニックス着陸機は、巻雲から降る降水（おそらく水氷でできた雪）を観測した。^{[ 306 ]}

初期ノアキアン時代は、激しい隕石の衝突と流体力学的脱出による大気の宇宙への損失が特徴でした。^{[ 312 ]}隕石による放出により、初期の大気の約60%が除去された可能性があります。^{[ 312 ] [ 313 ]}この期間には、地表水を維持するのに十分な密度の大気が必要であり、スペクトル的に支配的なフィロケイ酸塩グループであるスメクタイトが中程度の水対岩石比を示唆していることから、かなりの量のフィロケイ酸塩が形成された可能性があります。^{[ 314 ]}しかし、スメクタイトと炭酸塩の間のpH-pCO2は、_{スメクタイト}^の沈殿によりpCO2が1×10−2 atm（1.0 kPa）以下の値に制限さ_れることを示しています。^{[ 314 ]}その結果、粘土が火星の大気と接触して形成された場合、初期の火星の濃密な大気の主要成分は不確実になり、^{[ 315 ]}特に炭酸塩堆積物の証拠がないことを考慮すると、その不確実性は増す。さらに複雑なのは、若い太陽の明るさが約 25% 低かったため、液体の水を維持するために表面温度を上昇させるには、温室効果の大きい古代の大気が必要だったということである。 ^{[ 315 ]} CO _{2 の}含有量が高いだけでは不十分だっただろう。なぜなら、CO _2は1.5 atm (1,500 hPa)を超える分圧で沈殿し、温室効果ガスとしての有効性が低下するからである。^{[ 315 ]}    

ノアキアン時代の中期から後期にかけて、火星ではタルシス火山の噴火によるガス放出によって二次大気が形成される可能性があり、そのガス放出には大量の H ₂ O、 CO ₂、および SO ₂が含まれていた。^{[ 312 ] [ 313 ]}火星の谷のネットワークはこの時期に形成されたものであり、壊滅的な洪水とは対照的に、地球規模で広範囲に及び、時間的に持続する地表水の存在を示している。^{[ 312 ]}この時期の終わりは、内部磁場の終焉と隕石衝突の急増と一致する。^{[ 312 ] [ 313 ]}内部磁場の停止とそれに続く局所磁場の弱化により、太陽風による大気の剥離が妨げられることなく行われた。例えば、地球の大気と比較すると、火星大気の³⁸ Ar/ ³⁶ Ar、¹⁵ N/ ¹⁴ N、および¹³ C/ ^{12 C 比は、}レイリー分別によって軽い同位体が濃縮された上層大気から太陽風が剥ぎ取ることによってAr、N ₂、および CO ₂が約 60% 失われたことと一致しています。^{[ 312 ]}太陽風活動に加えて、衝突は同位体分別なしに大気成分をまとめて放出したと考えられます。それにもかかわらず、特に彗星の衝突は惑星に揮発性物質をもたらした可能性があります。^{[ 312 ]}

散発的なガス放出による大気の強化は、太陽風による大気の剥離によって相殺されたが、若い太陽ほど激しくはなかった。 ^{[ 313 ]}壊滅的な洪水はこの時期に発生し、持続的な地表流とは対照的に、地下からの揮発性物質の突然の放出を促した。^{[ 312 ]この時代の初期は、水性の酸性環境とタルシスを中心とした地下水の流出[ 316 ]}によって特徴づけられた可能性があるが、後期の地表変化プロセスの多くは、火星の表面に赤みを帯びた色合いを与えるFe3 ^{+酸化物の形成を含む酸化プロセスによって特徴づけられている。 [ 313 ]}一次鉱物相のこのような酸化は、パラゴナイト質テフラの形成に関連する低pH（およびおそらく高温）プロセス、^{[ 317 ]}火星大気中で光化学的に生成されるH ₂ O ₂の作用、 ^{[ 318 ]}および水の作用によって達成される可能性があり、^{[ 314 ]}これらのいずれも遊離O ₂を必要としません。最近の時代における水および火成活動の劇的な減少を考慮すると、 H ₂ O ₂の作用が時間的に支配的であった可能性があり、観測されたFe ³⁺酸化物は体積的には小さいものの、遍在しスペクトル的に支配的になっています。^{[ 319 ]}それにもかかわらず、帯水層は、モハベなどのクレーターの地形に明らかなように、最近の地質史において持続的かつ非常に局所的な地表水を駆動した可能性があります。^{[ 320 ]}さらに、ラファイエット火星隕石は、6億5000万年前という比較的最近まで水による変質を受けていた証拠を示している。^{[ 312 ]}

2020年に科学者たちは、火星の水から原子状水素が失われているのは、主に季節的なプロセスと、水を直接上層大気に運ぶ砂嵐によって引き起こされており、これが過去10億年の間に火星の気候に影響を与えてきた可能性が高いと報告した。 ^{[ 321 ] [ 322 ]}最近の研究では、上方に伝播する大気重力波が、地球規模の砂嵐の際に水の流出を調節する上で重要な役割を果たす可能性があることが示唆されている。^{[ 323 ] [ 324 ]}

氷河期

火星は過去 500 万年の間に、表面の氷の量と分布に約 40 回の大きな変化を経験しており、^{[ 325 ] [ 266 ]}最も最近の変化は約 210 万年前から 40 万年前の二分境界における後期アマゾニア氷河期に起こった。[ 326 ] ^{[ 327 ]これらの変化}は氷期として知られている。^{[ 328 ]}火星の氷期は地球の氷期とは大きく異なる。氷期は火星の軌道と傾き(傾斜角とも呼ばれる) の変化によって引き起こされる。軌道計算によると、火星は地球よりもはるかに大きく自転軸を中心に揺れている。地球は比例して大きな月によって安定しているため、揺れはわずか数度である。火星は数十度も傾きを変える可能性がある。^{[ 249 ] [ 329 ]}この傾斜角が大きいときは、極はより多くの直射日光と熱を受ける。これにより、氷冠は温暖化し、氷が昇華して小さくなります。気候の変動性をさらに高めているのは、火星の軌道の離心率が地球の軌道の離心率の2倍も変化することです。極が昇華すると、氷は赤道付近に再堆積しますが、これらの高い傾斜角では、赤道付近は太陽放射量がやや少なくなります。^{[ 330 ]}コンピューターシミュレーションでは、火星の自転軸が45°傾くと、氷河地形が見られる地域に氷が蓄積することが示されています。^{[ 331 ]}

氷冠からの水分は、塵と混ざった霜や雪の堆積物として低緯度へと移動します。火星の大気には大量の微細な塵粒子が含まれており、水蒸気がこれらの粒子に凝結し、水のコーティングによる追加の重量のために、これらの粒子は地上に落下します。マントリング層の上部の氷が大気中に戻ると、残りの氷を断熱する役割を果たす塵が残ります。^{[ 330 ]}除去された水の総量は氷冠の数パーセント、つまり惑星の表面全体を1メートルの水で覆うのに十分な量です。氷冠からのこの水分の大部分は、氷と塵が混ざった厚く滑らかなマントルをもたらします。^{[ 247 ] [ 248 ] [ 332 ] [ 333 ]}この氷に富んだ地層は、中緯度では厚さが 100 メートルにも達し、^{[ 334 ]}低緯度では地表を滑らかにしていますが、場所によっては、その下にかつて水氷が存在していたことを示す凹凸のある質感や模様が現れます。

1971年に打ち上げられたマリナー9号火星周回探査機が撮影した画像は、乾いた川床や峡谷（全長約4,020キロメートル（2,500マイル）に及ぶ峡谷群であるマリネリス峡谷を含む）、水の浸食と堆積の痕跡といった、過去の液体の水の存在を示す最初の証拠を明らかにした。^{[ 341 ]}マリナー9号のミッションで得られた発見は、後のバイキング計画の基礎となった。巨大なマリネリス峡谷群は、マリナー9号の功績を称えてその名が付けられた。 

大量の水によって形成される典型的な地質学的形態を多数発見したことにより、2機のバイキング周回機と2機の着陸機（1976～1982年）は、火星の水に関する知識に革命をもたらしました。多くの地域で巨大な流出チャネルが発見されました。それらは、洪水がダムを突破し、深い谷を削り、岩盤に溝を侵食し、数千キロメートルも移動したことを示しました。^{[ 342 ]}南半球の広範囲には枝分かれした谷のネットワークがあり、かつて雨が降ったことを示唆しています。^{[ 343 ]}多くのクレーターは、衝突体が泥の中に落ちたように見えます。クレーターが形成されたとき、土壌中の氷が溶けて地面が泥になり、その後、泥が表面を流れた可能性があります。^{[ 120 ] [ 121 ] [ 234 ] [ 344 ]}「混沌地形」と呼ばれる地域では、大量の水が急速に失われ、下流に大きなチャネルが形成されたようです。一部の水路の流量はミシシッピ川の流量の1万倍にも達すると推定されている。^{[ 345 ]}地下火山活動によって凍った氷が溶け、水が流れ去り、地面が崩壊して混沌とした地形が残った可能性がある。また、2機のバイキング着陸船による一般的な化学分析では、地表が過去に水にさらされたか、水没していたことが示唆されている。^{[ 346 ] [ 347 ]}

1998年、火星グローバルサーベイヤーの火星周回レーザー高度計のデータにより、北極氷冠の地形は主に水氷の組成と一致していることが示された。^{[ 348 ]}

火星グローバルサーベイヤー（1996～2006年）の熱放射分光計（TES）は、火星表面の鉱物組成を測定できる装置でした。鉱物組成は、古代に水が存在したかどうかについての情報を提供します。TESは、ニリフォッサエ層に鉱物カンラン石を含む広大な（ 30,000平方キロメートル（12,000平方マイル））領域を特定しました。^{[ 349 ]}イシディス盆地を形成した古代の小惑星衝突により、カンラン石を露出させる断層が生じたと考えられています。カンラン石の発見は、火星の一部が長い間極めて乾燥していたという強力な証拠です。カンラン石は、赤道から北と南に60度以内の他の多くの小さな露頭でも発見されました。^{[ 350 ]}探査機は、過去に持続的な液体の流れがあったことを示唆するいくつかのチャネルを撮影し、そのうちの2つはナネディ谷とニルガル谷で見つかりました。^{[ 351 ]}  

パスファインダー着陸機（1997～1998年）は、日中の気温変動を記録した。最も寒かったのは日の出直前で、約-78 ℃（-108 °F、195K ）であった。最も暖かかったのは火星の正午過ぎで、約-8 ℃（18 °F、265K ）であった。この場所では、最高気温が水の凝固点（0 ℃（32 °F、273K ））に達することはなく、表面に純粋な液体の水が存在するには寒すぎた。         

火星探査機パスファインダーが測定した大気圧は非常に低く、地球の大気圧の約0.6%に過ぎず、純粋な液体の水が地表に存在することは不可能である。^{[ 352 ]}

その他の観測結果は、過去に水が存在していたことと一致していた。マーズ・パスファインダーの地点にある岩石の一部は、地質学者が「重なり合っている」と呼ぶように互いに寄りかかっていた。過去の強い洪水が岩石を押し流し、流れとは反対の方向を向くようにしたと考えられている。小石の中には丸みを帯びたものもあり、おそらく川で転がされたためだろう。地面の一部は硬く、おそらく鉱物を含む流体による固結が原因と考えられる。^{[ 353 ]}雲や霧の痕跡もあった。^{[ 353 ]}

2001年火星探査機（2001年～現在）は、画像という形で火星に水が存在する多くの証拠を発見し、中性子分光計で、地表の大部分が水氷で満たされていることを証明しました。火星の地表直下には、ミシガン湖を2回満たすのに十分な量の氷があります。^{[ 354 ]}両半球の北緯55度から極まで、火星の地表直下には高密度の氷があり、1キログラムの土壌には約500グラム（18オンス）の水氷が含まれています。しかし、赤道付近では、土壌中の水はわずか2～10%です。^{[ 355 ]}科学者たちは、この水の多くは粘土や硫酸塩などの鉱物の化学構造にも閉じ込められていると考えています。^{[ 356 ] [ 357 ]}上面には数パーセントの化学的に結合した水が含まれていますが、氷はわずか数メートル下にあります。これは、大量の水氷を含むアラビアテラ、アマゾニス四角形、およびエリシウム四角形で示されています。 ^{[ 358 ]}オービターはまた、赤道付近の表面近くに大量の水氷の堆積物を発見しました。^{[ 235 ]}赤道の水和の証拠は形態学的および組成的の両方であり、メデューサフォッサエ地形とタルシスモンテの両方で見られます。^{[ 235 ]}データの分析は、南半球が層状構造を持っている可能性があり、これは現在消滅した大きな水塊の下に層状堆積物があることを示唆しています。^{[ 359 ]} 

火星探査機マーズ・オデッセイに搭載された機器は、地表から1メートルまでの土壌を調査することができる。2002年に入手可能なデータを用いて、すべての土壌表面が均一な水の層で覆われている場合、これは地球規模の水の層（GLW）0.5～1.5キロメートル（0.31～0.93マイル）に相当すると計算された。^{[ 360 ]} 

オデッセイ探査機から送られてきた数千枚の画像も、火星の表面をかつて大量の水が流れていたという考えを裏付けています。いくつかの画像には枝分かれした谷のパターンが写っており、他の画像には湖の下に形成されたと思われる層が写っています。川や湖の三角州さえも確認されています。^{[ 43 ] [ 361 ]} 長年にわたり、研究者たちは断熱岩石の層の下に氷河が存在すると推測してきました。^{[ 14 ] [ 52 ] [ 53 ]}線状の谷底堆積物は、このような岩で覆われた氷河の一例です。これらはいくつかの水路の底に見られます。その表面には、障害物を避けて迂回する隆起と溝のある物質があります。線状の底堆積物は、軌道上のレーダーによって大量の氷が含まれていることが示されている葉状のデブリエプロンに関連している可能性があります。^{[ 14 ] [ 53 ]}

フェニックス着陸機（ 2008年）も火星の北部地域に大量の水氷が存在することを確認した。^{[ 362 ] [ 363 ]}この発見は以前の軌道データと理論によって予測されており、^{[ 364 ]}火星探査機マーズ・オデッセイの機器によって軌道上から測定された。^{[ 355 ]} 2008年6月19日、NASAはロボットアームによって掘られた「ドードー・ゴルディロックス」トレンチ内のサイコロ大素量の明るい物質の塊が4日間かけて蒸発したと発表し、明るい塊が露出後に昇華する水氷で構成されていることを強く示唆した。最近の放射伝達モデルでは、この水氷は粒径約350μm、 塵0.015%の雪であることが示されている。^{[ 365 ]} _CO2（ドライアイス）も現在の条件下で昇華するが、観測されたよりもはるかに速い速度で昇華するだろう。^{[ 366 ]} 2008 年 7 月 31 日、NASA はフェニックスが着陸地点で水の氷の存在をさらに確認したと発表した。サンプルの最初の加熱サイクル中に、質量分析計はサンプルの温度が0 °C (32 °F; 273 K)に達したときに水蒸気を検出した。^{[ 367 ]}現在の低い大気圧と温度では、火星の表面には安定した液体の水は存在できない (沸騰してしまう)。ただし、最も低い標高では短期間だけ存在する可能性がある。^{[ 284 ] [ 285 ] [ 362 ] [ 368 ]}   

火星の土壌中に、強力な酸化剤である過塩素酸イオン（ClO₄⁻ _）^が存在することが確認された。この塩は水の凝固点を著しく低下させる可能性がある。

フェニックスが着陸したとき、逆噴射ロケットが土と溶けた氷を機体に飛び散らせた。^{[ 369 ]}写真には、着陸によって着陸支柱に物質の塊が付着していたことが写っていた。^{[ 369 ]}その塊は潮解と一致する速度で膨張し、消える前に暗くなり（液化とその後の滴下と一致）、融合しているように見えた。これらの観察と熱力学的証拠を組み合わせると、その塊はおそらく液体の塩水滴であることが示された。^{[ 369 ] [ 370 ]}他の研究者は、その塊は「霜の塊」である可能性を示唆した。^{[ 371 ] [ 372 ] [ 373 ]} 2015年には、過塩素酸塩が急な谷に繰り返し現れる斜面線の形成に役割を果たしていることが確認された。^{[ 1 ] [ 374 ]}

カメラの視界の限り、着陸地点は平坦だが、直径2～3メートル（6フィート7インチ～9フィート10インチ）の多角形に形作られており、深さ20～50センチメートル（7.9～19.7インチ）の溝で囲まれている。これらの形状は、土壌中の氷が大きな温度変化によって膨張・収縮することによって生じる。顕微鏡観察では、多角形の上の土壌は丸い粒子と平らな粒子で構成されており、おそらく粘土の一種であることが示された。^{[ 375 ]}多角形の中央では地表から数インチ下に氷が存在し、縁に沿っては少なくとも8インチ（200 mm）の深さがある。^{[ 368 ]}       

巻雲から雪が降るのが観測された。雲は、大気中で約-65 °C (-85 °F; 208 K)の高度で形成されたため、二酸化炭素氷 (CO ₂またはドライアイス) ではなく、水氷で構成されているはずである。二酸化炭素氷が形成される温度は、-120 °C (-184 °F; 153 K) よりはるかに低いからである。ミッションの観測結果から、この場所では、その年の後半に水氷 (雪) が蓄積したと推測されている。^{[ 306 ]}火星の夏に行われたミッション中に測定された最高温度は-19.6 °C (-3.3 °F; 253.6 K)であり、最低温度は-97.7 °C (-143.9 °F; 175.5 K)であった。そのため、この地域では気温は水の凝固点（0 ℃（32 °F、273K ））をはるかに下回ったままだった。^{[ 376 ]}               

火星探査ローバーのスピリット（2004～2010年）とオポチュニティ（2004～2018年）は、火星に過去に水が存在したことを示す多くの証拠を発見した。スピリット探査車は、大きな湖底と考えられていた場所に着陸した。湖底は溶岩流で覆われていたため、過去の水の痕跡は当初は検出が困難だった。2004年3月5日、NASAはスピリットが「ハンフリー」と名付けられた岩石から火星の水の歴史の痕跡を発見したと発表した。^{[ 377 ]}

2007 年 12 月、スピリットが逆方向に走行し、固着した車輪を後ろに引きずりながら、車輪が土壌の上層を削り取り、シリカを豊富に含む白い地面のパッチを露出させた。科学者たちは、それが 2 つの方法のいずれかで生成されたに違いないと考えている。^{[ 378 ]} 1 は、水がシリカをある場所で溶解し、別の場所に運んだときに生成された温泉堆積物 (つまり、間欠泉)。2 は、岩の亀裂から上昇する酸性蒸気が岩から鉱物成分を剥ぎ取り、シリカを残した。^{[ 379 ]}スピリット探査車は、グセフクレーターのコロンビア ヒルズで水の証拠も発見した。クロービス岩石群では、メスバウアー分光計（MB）により^、水が存在する場合にのみ形成されるゲータイト^{[ 380 ]}、^{[ 381 ] [ 382 ] [ 383 ]}、酸化鉄Fe3 ^{+ [ 384 ]} 、炭酸塩に富む岩石が検出されました。これは、かつて地球の領域に水が存在していたことを意味します^{[ 385 ] [ 386 ] 。}

オポチュニティ探査車は、軌道上から大量の赤鉄鉱が観測された地点に誘導された。赤鉄鉱はしばしば水から形成される。探査車は実際に層状の岩石や大理石やブルーベリーのような赤鉄鉱の団塊を発見した。探査車の走行ルートの別の場所では、オポチュニティはエンデュランス・クレーターのバーンズ・クリフにある風成砂丘の地層を調査した。探査車のオペレーターは、これらの露頭の保存と固結は浅い地下水の流れによって制御されていたと結論付けた。^{[ 159 ]}長年にわたる継続的な運用の中で、オポチュニティは火星のこの地域が過去に液体の水に浸かっていたという証拠を地球に送り返した。^{[ 387 ] [ 388 ]}

MER探査車は、非常に酸性の強い古代の湿潤環境の証拠を発見しました。実際、オポチュニティは、生命にとって過酷な化学物質である硫酸の証拠を発見しました。 ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 389 ] [ 390 ]}しかし、2013年5月17日、NASAは、オポチュニティが中性に近い酸性の湿潤環境で通常形成される粘土堆積物を発見したと発表しました。この発見は、生命にとって好ましい可能性のある古代の湿潤環境に関する追加の証拠を提供します。^{[ 15 ] [ 16 ]}

2014年1月24日、研究者らは、キュリオシティとオポチュニティ探査車による火星の最新の研究で、化学合成独立栄養微生物が生息可能であった可能性のある古代の環境や、古代の河川や湖に関連する平原などの河川湖沼環境を含む古代の水の証拠が見つかったと報告した。 ^{[ 391 ] [ 392 ] [ 393 ]}

火星偵察オービターのHiRISE機器（2006年～現在）は、火星が水に関連するプロセスの歴史を豊富に持っていたことを強く示唆する多くの画像を撮影しました。主な発見は、古代の温泉の証拠が見つかったことです。もしそれらが微生物生命を宿していたなら、バイオシグネチャーが含まれている可能性があります。^{[ 394 ]} 2010年1月に発表された研究では、マリネリス峡谷周辺での持続的な降水の強い証拠が説明されています。^{[ 130 ] [ 131 ]}そこにある鉱物の種類は水と関連しています。また、小さな分岐した水路の密度が高いことは、大量の降水があったことを示しています。

火星の岩石は、さまざまな場所で層状構造（地層）として頻繁に見られることがわかっています。^{[ 395 ]}地層は、火山活動、風、水など、さまざまな方法で形成されます。^{[ 396 ]}火星の明るい色の岩石は、硫酸塩や粘土などの含水鉱物と関連付けられています。 ^{[ 397 ]}

探査機は、火星の表面の大部分が氷と塵の混合物であると考えられる厚く滑らかなマントルで覆われていることを科学者が突き止めるのに役立った。^{[ 248 ] [ 398 ] [ 399 ]}

浅い地下の氷のマントルは、頻繁な大規模な気候変動の結果であると考えられています。火星の軌道と傾きの変化は、極地からテキサス州に相当する緯度までの水氷の分布に大きな変化をもたらします。特定の気候期間には、水蒸気が極地の氷から離れて大気中に放出されます。水は、塵とたっぷり混ざった霜や雪の堆積物として、より低い緯度の地表に戻ります。火星の大気には、大量の微細な塵粒子が含まれています。^{[ 287 ]}水蒸気は粒子に凝結し、水コーティングの追加重量のために粒子は地上に落下します。マントル層の上部の氷が大気中に戻ると、塵が残り、それが残りの氷を断熱します。^{[ 330 ]}

2008年、火星偵察オービターの浅層レーダーによる調査で、ヘラス平原や北半球中緯度にある葉状デブリエプロン（LDA）は薄い岩石層で覆われた氷河であるという強力な証拠が得られました。また、レーダーはLDAの上部と下部からの強い反射を検出し、これは純粋な水氷がその形成物の大部分を構成していることを意味します。^{[ 14 ]} LDAで水氷が発見されたことは、水がさらに低い緯度にも存在することを示しています。^{[ 234 ]}

2009年9月に発表された研究では、火星の新しいクレーターのいくつかに、露出した純粋な水の氷があることが示されました。^{[ 400 ]}しばらくすると、氷は消えて大気中に蒸発します。氷の厚さはわずか数フィートです。この氷は、火星偵察オービターに搭載されたコンパクトイメージング分光計（CRISM）で確認されました。^{[ 401 ]} HiRISE画像のスペクトル分析を使用して、中緯度の極に面した斜面の大部分を覆う中緯度マントル（当初は、塵とレゴリスで覆われた埋もれた塵の雪を含むと提案されていました。 ^{[ 247 ]}）内でも同様の氷の露出が検出されています。^{[ 402 ]}

2019年に発表された追加の共同報告書では、北極に存在する水の氷の量が評価されました。ある報告書では、MROのSHARAD（浅いレーダー探査機）プローブからのデータを使用しました。SHARADは、地表から約2キロメートル（1.2マイル）下まで15メートル（49フィート）間隔でスキャンする機能を備えています。過去のSHARADの運用の分析では、プラヌム・ボレウムの下に水の氷と砂の層が存在する証拠が示され、その体積の60%から88%が水の氷でした。これは、火星の長期的な地球規模の気候が地球規模の温暖化と寒冷化のサイクルで構成されているという理論を裏付けています。寒冷化の期間には、水が極に集まって氷の層を形成し、その後、地球規模の温暖化が起こると、溶けていない水の氷は、火星で頻繁に発生する砂嵐による塵や土で覆われました。この研究で決定された氷の総量は、約2.2 × 10 ⁵立方キロメートル (5.3 × 10 ⁴立方マイル)であり、溶ければ火星の表面を1.5 メートル (4.9フィート)の水の層で完全に覆うのに十分な水量であることを示している。^{[ 403 ]}この研究は、記録された重力データを使用してプラヌム ボレウムの密度を推定した別の研究によって裏付けられており、平均して体積の最大 55% が水の氷で構成されていることが示された。^{[ 404 ]}    

HiRISEの写真を調べたところ、ユートピア平原（北緯約35～50度、東経約80～115度）には地球上のピンゴに似た地形が多数見つかった。ピンゴは氷の核を持つ。 ^{[ 405 ]}

欧州宇宙機関が打ち上げた火星探査機マーズ・エクスプレス・オービター（2004年～現在）は、火星の表面をマッピングし、地下を調査している。2012年から2015年にかけて、オービターはレーダーを使用してプラヌム・アウストラレの氷冠の下の領域をスキャンし、幅約20キロメートル（12マイル）の氷底湖の可能性を発見した。この可能性のある湖の頂上は氷河の下1.5キロメートル（0.93マイル）に位置することになるが、この解釈には議論がある。^{[ 429 ] [ 430 ]}  

中国の火星探査車「祝栄」（2021-2022年）は、2021年5月14日にユートピア平原に着陸した。搭載された6つの科学機器には、2台のパノラマカメラ、地中探査レーダー、磁場検出器が含まれていた。祝栄はレーザーを使って岩石を照射し、その組成を調べた。^{[ 431 ]}

祝栄は、地表の「硬質地殻」と呼ばれる地殻を調査したところ、水の存在を示す証拠を発見した。この地殻は、着陸地点のアマゾン時代の地形に水和硫酸塩/シリカ物質を含んでいた。この硬質地殻は、地下の氷の融解または地下水の上昇によって生成された可能性がある。^{[ 432 ] [ 433 ]}

祝栄着陸地点の砂丘を調べた研究者たちは、火星の北極の氷冠の層が変化したのとほぼ同時期に、風向が大きく変化したこと（砂丘の向きからも明らか）を発見した。これらの出来事は、惑星の自転軸の傾きが変化したときに起こったと考えられている。^{[ 434 ]}

2024年、研究者らはNASAのインサイト着陸機（2018～2022年）が記録したデータを発表し、火星に地下水が存在する可能性を示唆した。このデータは、インサイトの地震計によって記録された火星の地震波の測定値から構成されている。測定された領域では、火星の表面から7～13マイル下に水があると推定されている。インサイトが観測した小さな領域が火星の他のすべての領域を代表するものであると仮定すると、火星の地下水の量は、火星の表面全体を0.62～1.24マイルの深さの水の層で覆うのに十分であると推定されている。^{[ 435 ] [ 436 ]}