2001年火星希臘平原的沙塵暴
來認識或許是下個地球的—火星(5)
1996年時確認了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發現了化學化石（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。
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數個湖，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穀系統。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。火山也許是放了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穀附近被發現。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。
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。
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。
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，這暗示了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了古代的火星被認為有更密集的河道。火星上峽穀最密集的地區可以和地球類似區域相類比。該研究團隊開發了一個電腦程式，以尋找U形地形結構的方式來確定峽穀位置。大量的峽穀系統是火星古代有降雨的證據。火星全球的峽穀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穀系統有個南方分佈邊界。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，無法形成峽穀；火星南方缺少降雨也可以解釋為什麼火星的峽穀越往南方就越淺。
火星北半球大部分地區地勢比火星其他區域明顯低很多，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）精確測定了火星表面的高程後，發現火星古代的分水嶺覆蓋了火星表面三分之一。
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。
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。
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穀。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、是否有過是何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。硫酸鹽的存在引出了一些問題：硫酸鹽是在酸性環境中形成的，因此這引發了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光譜資料中也發現了碳酸鹽的存在。
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了相關礦物。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對火星地表進行了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；但如果撞擊帶走了水，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。有些科學家考慮了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。
火星氣候
火星氣候是數個世紀的科學家感興趣的課題，因為火星是唯一可從地球觀測其表面細節的類地行星。
雖然火星質量只有地球的11%，距離太陽比地球遠50%，兩顆行星的氣候仍有明顯相似之處，例如極冠、季節變化和可觀測的天氣模式，因此吸引了行星科學家和氣候學家持續的研究。雖然火星的氣候類似地球，包括季節和週期性的冰河期，也有重要的差異，如沒有液態水（雖然存在水冰）和低得多的熱慣性。火星大氣層的大氣標高大約是11公里，比地球高60%。氣候和生命現在或過去是否曾經存在於火星上有很大的關聯性，並且因為 NASA的量測指出火星南極冰蓋的昇華增加，以致一些新聞媒體推測火星正經歷全球暖化的新聞而受到越來越多人感興趣。
早在17世紀早期人類就已使用地球表面的設備研究火星，但直到1960年代中期火星探測才開始對火星近距離觀測。飛掠和環繞探測器在火星大氣層之上觀測，並有數個登陸艇和火星車直接量測取得資料。先進的地球軌道望遠鏡今日仍持續提供一些有用的廣視野觀測以瞭解大範圍的氣象現象。
第一個火星飛掠任務是1965年的水手4號。快速的二日飛掠任務（1965年7月14至15日）提供了火星氣候有限而粗略的模式。之後的水手6號和水手7號提供了缺少的氣候基本訊息。之後真正取得火星氣候資料是開始於1975年的海盜號計畫和之後計畫，例如極為成功的火星全球探勘者號。
這些觀測工作已經有稱為火星大氣環流模式（Mars General Circulation Model, MGCM）的電腦模擬計算輔助。幾個不同的迭代模式增進了火星氣候模式有限度的瞭解。氣候模式在顯示大氣物理和小於影像解析度的尺度上是受到限制的。它們也可能基於火星大氣機制和受到火星觀測資料品質以及時間和空間密度限制造成的不準確或不切實際假設。
賈科莫·馬拉迪（Giancomo Miraldi）在1704年確定火星南極冰蓋的中心並非位於火星自轉極軸。之後在1719年的火星衝期間馬拉迪觀測了火星的南北極冰蓋和火星冰蓋的短時間變化。
威廉·赫歇爾在其1784年發表的一篇論文《On the remarkable appearances at the polar regions on the planet Mars, the inclination of its axis, the position of its poles, and its spheroidal figure; with a few hints relating to its real diameter and atmosphere》中首次推論火星的大氣層相當稀薄。論文中提到兩顆暗星在火星附近時，亮度未受到影響；赫歇爾因此正確推論出火星只有少量大氣層可以影響星光。
奧諾雷·弗洛熱爾格（Honore Flaugergues）於1809年發現了火星表面的「黃色雲」，這是首次觀測到火星沙塵暴的紀錄。弗洛熱爾格也於1813年觀測到了火星春季期間極地冰冠明顯的退縮。他因此錯誤推測火星氣候比地球溫暖。
在任何嚴謹的火星古氣候模式被提出之前，已經有一個被認可的模式，尤其是火星地質年代模式。目前已經有兩套火星地質年代系統被使用。第一個系統是基於火星表面撞擊坑密度；第二個則是三個火星年代：諾亞紀、赫斯珀利亞紀和亞馬遜紀。近年已提出以礦物進行地質年代區分的取代方案，同樣也是三個地質年代：Phyllocian、Theikian 和 Siderikian。
最近的觀測和模形不但可以提供火星現在的氣候和大氣狀況，也可得知過去的狀況。諾亞紀的火星大氣層長期被認為富含二氧化碳；近年的火星表面黏土礦物沉積的光譜分析和黏土礦物形成狀態模擬發現當時很少或沒有碳酸鹽礦物在黏土中。黏土在富含二氧化碳環境中形成時總是伴隨碳酸鹽的形成，雖然形成後很容易受到火山噴發的酸性物質破壞。
在火星上發現的形成與水相關礦物有機會號發現的赤鐵礦和黃鉀鐵礬，以及精神號發現的針鐵礦，這代表火星遙遠過去的氣候條件是允許液態水在火星表面流動的。一些撞擊坑的形態指出，在撞擊發生實火星表面是潮濕的。火星地理特徵的侵蝕速率和火星表面的山谷網都強烈暗示在諾亞紀時代（大約超過 40 億年前）的火星是溫暖而潮濕的。但是火星隕石樣本的化學分析則指出，當時接近火星地表的溫度在過去 40 億年間很可能是低於 0 C°。
一些科學家認為塔爾西斯巨型火山群可能對火星氣候造成主要影響。噴發中的火山會釋放出大量氣體，主要是水蒸氣和二氧化碳。據估計，火星火山噴發入大氣層的氣體量可讓早期火星大氣層比地球大氣層厚。此外，水蒸氣可以使火星表面被深度120公尺的水覆蓋。二氧化碳是溫室氣體，可以捕捉紅外線形式的熱能增加行星表面溫度。所以塔爾西斯的火山群會經由噴發二氧化碳使火星早期相當類似於地球。火星可能曾經有比現在厚而高溫的大氣層，並曾經存在湖泊或海洋。但是現在難以建立一個令人相信的火星全球氣候模型足以證明火星表面溫度曾經在冰點以上，雖然這可能只是反映了在這種規模的模型下，其校準精確度的困難。(續)
哈伯太空望遠鏡拍攝到火星極區的氣旋。
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