來認識或許是下個地球的—火星(3)
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，重建了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曾經有液態水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。
水手9號拍攝的影像中發現了河床、峽穀（包含水手號谷，一個長達4200公里的峽穀系統）、水流侵蝕、鋒面、霧等，首先揭露了火星表面曾經有水的證據。之後的海盜號接續了水手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，引發了對我們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，這些峽穀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。
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號發現了相似礦物聚集存在的區域，因為維京2號的位置更北，拍攝到了火星冬季表面的霜。
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。礦物成分提供了水是否在古代火星存在的資訊。TES調查了很大的範圍（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了伊希地平原，造成的斷層暴露了橄欖石。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了超過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穀被認為是最近形成的。這些溪穀在陡坡和特定緯度被發現。部分火星上的河道顯示了曾經存在水流，最有名的是在納內迪穀（Nanedi Valles）；另外在尼爾格穀（Nirgal Vallis）也發現同樣的地理特徵。
火星上許多地方都發現了在陡坡上的暗條紋（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。
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了對侵蝕的抵抗能力，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了這類過程的證據。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）。
火星探路者發現了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了岩石周圍直到岩石轉過了水流方向。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了凝聚。
火星探路者號也發現了雲和霧存在的證據。
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佈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了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了的水仍然相當大量。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了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了。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了火星曾經有大量水流在表面流動。有些影像顯示了溪流的地形，其他影像中則找到了可能在湖底沉積形成的地層，也找到了三角洲地形。
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了。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。
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了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佈有明顯變化。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了沙粒；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）附近的道穀（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。
鳳凰號探測器確定了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公佈了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天後消失了。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公佈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了分析結果中提到鳳凰號在分析樣本中發現了氯化物、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」引起了許多爭論；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的任何新聞發佈記者會上公開。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了，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了，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了高氯酸鹽的存在。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。
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宣佈精神號在探測的韓弗瑞（Humphrey）岩石找到水的證據。聖路易士華盛頓大學地球與行星科學系主任，雷蒙·阿維森（Raymond Arvidson）在NASA記者會宣佈：「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，顯示了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，剝去了岩石的組成礦物，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，這暗示了對於古代火星的適居性是大同小異」。溫泉提供了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；這些地方都充滿了微生物」。(續)
火星全球探勘者號拍攝的火星北半球早夏北極冰冠影像。
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