火星水文

水手9號拍攝的影像中發現河床、峽谷（包含水手號谷，一個長達4200公里的峽谷系統）、水流侵蝕、鋒面、霧等[15]，首先揭露火星表面曾經有水的證據。之後的海盜號接續水手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。

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  水手9號拍攝的斯卡曼德洛斯谷的曲流，這表示曾有大量水流在火星表面。
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  水手9號拍攝的瓦伊哥谷，这是雨或雪的作用形成此種河道系統的證據。

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，引發學界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，這些峽谷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[16]。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[17]。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[18]。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[12][19][20]。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[21]。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。

以下部分影像是從海盜號多張窄視野，高解析度影像拼接而成。部分影像有標上地名。

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  海盜號拍攝的巴赫拉姆谷，位於卢娜高原（Lunae Planum）北部，月沼區。位於韋德拉谷和地勢較低的卡塞峽谷之間。
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  海盜號拍攝的許多流線型島嶼顯示曾有強大水流在火星表面出現。位於月沼區。
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  海盜號拍攝從邁亞谷流出的水流造成淚滴狀島嶼群。位於歐克西亞沼區。這些島嶼是在盧德撞擊坑、包克撞擊坑（Bok Crater）和高爾德撞擊坑（Gold Crater）的噴出物上。
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  照片中可見沖刷模式是水流從左側的邁亞谷流出。位於月沼區。
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  在這幅海盜號拍攝影像中可見大量的水流造成侵蝕。位於月沼區。水流侵蝕造成德羅摩爾撞擊坑周圍的撞擊噴發物形成現在形態。
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  在這幅海盜號拍攝影像中可見韋德拉谷、茂米谷和邁亞谷的水流都從影像左側的月神高原流入右側克里斯平原。位於月沼區。
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  海盜號拍攝的亚兰斯撞击坑外的噴發物類似泥漿在周圍的小撞擊坑（箭頭所指處）運動，而不是降落。這種撞擊坑形成原因被認為是當撞擊時造成大量水冰溶化所致。位於阿西達利亞海區（Mare Acidalium quadrangle）。
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  在這幅影像中可見亞拔山邊緣有河道或溝槽。部分溝槽形成原因是因為岩漿的流動；其他的可能是因為水流形成。大規模的溝槽或地塹形成一條崩潰的凹處。位於阿耳卡狄亚區（Arcadia quadrangle）。
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  位於陶馬西亞區（Thaumasia quadrangle）的許多細小河道。這樣的河道網是火星古代有大量降雨的強力證據。
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  位於珍珠灣區的許多細小河道是火星古代曾有降雨的證據。
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  海盜號拍攝的拉維谷，可能是災難性的巨大洪水從右邊的混沌地形流出。位於珍珠灣區。

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%[22]。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[23]。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[24]。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，拍攝到火星冬季表面的霜。

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  火星表面的霜
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  2006年12月火星偵察軌道器拍攝海盜2號登陸器。
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  登陸地點的霜。

熱輻射光譜儀資料繪製的子午線灣的赤鐵礦分布圖。這些資料是作為機遇號登陸地點的選擇。赤鐵礦經常是在水的存在下形成。機遇號在此登陸並找到水存在的證據。

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。礦物成分提供水是否在古代火星存在的資訊。TES調查很大的範圍（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伊希地平原，造成的斷層暴露橄欖石。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[25]。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[26]。後續研究發現富含橄欖石的岩石覆蓋超過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[27]。

2006年12月6日NASA公開薩瑞南高地和半人馬山的照片，發現在1999和2001年的照片比較有液態水的證據[28][29]。

數百條因為液態水造成的溪谷被認為是最近形成的。這些溪谷在陡坡和特定緯度被發現[30][31][32][33][34]。

以下照片是火星全球探勘者號拍攝的溪谷照片作為範例：

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  位於牛頓撞擊坑附近的坑洞北側環型山的溪谷群(南緯41.3047°，東經192.89°)。影像位於法厄同區。
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  在厄立特里亚區內克卜勒撞擊坑以北某坑洞內的溪谷。該地形特徵也許是古代冰川的遺跡。右側其中一個形狀類似舌頭。
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  凱撒撞擊坑壁內的溪谷。一般來說溪谷地形特徵經常只在撞擊坑一側被發現。位於挪亚區。
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  戈耳貢混沌地形內溪谷的全彩影像。影像位於法厄同區。

部分火星上的河道顯示曾經存在水流，最有名的是在納內迪谷；另外在尼尔格谷也發現同樣的地理特徵[30]。

納內迪峽谷河床底的內河道（靠近影像頂部），這是水流曾長時間穩定存在的證據。位於月沼區。

火星上許多地方发现在陡坡上有暗條紋（暗黑斜坡条纹或陡坡上的暗黑条纹），例如撞擊坑壁。陡坡暗纹自水手號任務和海盜號任務開始被研究[35]。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[36]或者是火星上生命的滋長[37][38]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[39]。

以下是火星全球探勘者號拍攝的暗條紋影像：

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  吉洪拉沃夫撞擊坑內地層。這些地層可能是因為火山、風或者水的作用沉積形成的。左邊的數個撞擊坑是底座形撞擊坑（Pedestal crater）。陡坡上的暗條紋可以發現是來自某些地層（請點選影像放大）。
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  狄阿克里亚區的暗條紋。
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  阿拉伯區的暗條紋。影像內撞擊坑大小與美國亞利桑那州的巴林傑隕石坑相近。

火星部分地區出現倒轉地形；原因是沉積物沉積在河床上之後膠結在一起增加對侵蝕的抵抗能力，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這類過程的證據[40]。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[41]、宮本撞擊坑[42]和朱芬塔高原（Juventae Plateau）[43][44]

以下影像是其中一個例子：

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  火星全球探勘者號拍攝的朱芬塔峽谷附近的倒轉地形。這些溪流在山脊的頂部發源，然後一起流動。

火星探路者發現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与下降最快的地方。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[45]。

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[46]。

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岩石周圍直到岩石轉過水流方向。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凝聚[47]。

火星探路者號也發現雲和霧存在的證據[47]。

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（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[48]。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%[49][50]。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[51][52]。海盜號的登陸器在火星土壤中也發現少量因為化學反應固定在礦物中的水[22]。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、亞馬遜區和埃律西昂區有大量的水[49][53]。根據探測資料分析顯示火星南半球可能有含冰地層結構[54]。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[48]。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[55]。

鳳凰號火星探測器確定火星奧德賽號先前的發現[56]。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。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[57]。

在鳳凰號下方往南方的登陸支架觀察，可看到在明亮表面暴露一些斑點。這些斑點後來被證明是水冰。而這些水冰除了理論預測以外，在2001火星奧德賽號任務中也被偵測到。

數千幅奧德賽號拍攝的影像顯示火星曾經有大量水流在表面流動。有些影像顯示溪流的地形，其他影像中則找到可能在湖底沉積形成的地層，也找到三角洲地形[58]。

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[59][60][61][62][63]。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。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[62][63][64]。

以下影像是由2001火星奧德賽號上的熱輻射成像系統（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[65]：

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  安夸庫谷影像中整個區域經被一層暗地層覆蓋，但現在只留下數個類似孤峰（Butte）的地形特徵。點選影像可見當地地層。這些地層也許是在古代的湖底沉積而成。
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  位於大瑟提斯區的火星谷。直線形的山脊可能是熔岩流動後形成的岩脈。
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  尼爾格谷存在可能是因為地下水侵蝕造成的地形特徵。尼爾格峽谷是热辐射成像系统拍攝的許多古代河谷其中一個。
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  尼爾格谷和烏斯缽谷相連處。影像中卢基撞擊坑（Luki crater）的直徑為21公里。
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  尼爾格谷。
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  尼爾格谷近拍影像。
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  沃里戈谷附近的河谷，該分支河谷是水流曾經在火星表面存在的強力證據，而水流存在時的火星可能比現在高溫許多。
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  阿瑞斯谷的侵蝕特徵－可能是因為流水侵蝕形成的流線形狀地形。
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  位於伊斯墨诺斯湖区的三角洲。
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  位於月沼區的三角洲
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  位於珍珠灣區的三角洲。
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  卡塞谷。
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  阿薩巴斯卡谷的影像中可見水流來源是科柏洛斯槽溝。注意影像中流線型島嶼顯示水流方向是往南。位於埃律西昂區。
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  帕杜斯谷的近距離影像。位於门农區。
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  厄科深谷西側的河道。影像中細小的樹枝狀河床可能是因為水流流經該區域形成。位於科普剌塔斯區。
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  厄科深谷內一個桌山上的樹枝狀河道。影像寬度20 水手谷哩。位於科普剌塔斯區。
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  梅拉斯峽谷底部的樹枝狀河道。位於科普剌塔斯區。

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[66][67]。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布有明顯變化。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沙粒；留下的沙粒則有很好的隔熱效果，能保留更下層的冰[68]。

位於一座巨大火山亚得里亞火山口（Hadriaca Patera）附近的道谷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[69]。

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。THEMIS拍攝的混沌地形如以下影像：

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  阿倫混沌地形的石塊顯示可能的水源。當大量的水流出時，地表塌陷形成混沌地形。這些大型時快可能還有一些水冰。位於歐克西亞沼區。
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  歐羅姆混沌地形的巨大峽谷。點選影像可見山溝可能是最近幾年流出的水流形成的。在這個緯度很少山溝的存在。位於珍珠灣區。

鳳凰號探測器確定有大量的水冰存在於火星北半球[70]；這項發現在之前理論已經預測[71]，而且由2001火星奧德賽號上的儀器測定發現[72]。2008年6月19日，美国宇航局公布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。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[73][74][75]。

2008年7月31日，NASA公布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（TEGA）的質譜儀在樣本溫度達到 0 °C 時偵測到水蒸氣[76]。 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[77][78]。

鳳凰號任務結束後，在科學期刊的一篇論文報告分析結果中提到鳳凰號在分析樣本中發現氯化物、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[79]。

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」引起許多爭論；許多人認為那可能是水滴或一塊霜[80]。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[80]。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，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[81][82]。有些影像甚至顯示一些水滴變暗之後移動和合併，這是那些黑點是液體的強力物理性證據[83]。

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  骰子大小的明亮物質在擴大的「嘟嘟鳥─金鳳花」（Dodo-Goldilocks）溝槽經過4天後消失。這表示水冰曝露後昇華[73]。
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  彩色影像顯示冰的昇華；左下角已被擴大的溝槽影像被放大，在右上角顯示。

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。

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  比較鳳凰號在火星上拍攝的多邊形地形...
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  ...和火星偵察軌道器拍攝的假色影像... 
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   ...和地球上北極地區加拿大德文島上的圖案地。

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[84]。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[85]。

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[86]。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[87]。

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[88]。鳳凰號的探測資料也確定高氯酸鹽的存在。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[89]。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，美国宇航局宣布精神號在探測的汉弗瑞（Humphrey）岩石找到水的證據。聖路易斯華盛頓大學地球與行星科學系主任，雷蒙·阿維森（Raymond Arvidson）在美国宇航局記者會宣布：「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[90]。

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（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，這暗示對於古代火星的適居性是大同小異」。溫泉提供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；這些地方都充滿微生物」[91][92]。

機會號則是被控制行使到一個被軌道器探測出有大量赤鐵礦的地區；赤鐵礦的形成經常是因為水。當機會號降落在這些沉積岩上，發現到許多可容易被觀測到的赤鐵礦小球。在這幾年觀測中，機會號傳回大量火星古代可能有廣大面積被液態水淹沒的證據。

在2006年3月一個新聞記者會上，科學家們討論關於火星岩床和液態水的證據。他們提出以下原因來解釋岩石中一些經過磨損後可見的小而長的空洞（見以下最後兩個圖）[93]：這些空洞可能是所謂的「晶洞」。晶洞的形成是因為岩石基質內的結晶因為侵蝕作用而被移除留下。影像內的部分盤狀特徵內有某些種類的礦物，尤其是硫酸鹽類。此外，任務成員還公開第一張由穆斯堡爾譜儀觀測岩床資料的光譜。從酋長岩（El Capitan）的鐵光譜中發現黃鉀鐵礬。這種礦物含有氫氧化物離子，這指出當礦物形成時水是存在的。微型熱輻射光譜儀（Mini-TES）觀測船長岩的資料發現大量含有水的硫酸鹽類。

維爾諾撞擊坑的泉水，高分辨率成像科学设备拍攝，位於歐克西亞沼區。這些泉水可能是尋找火星古代生命存在的證據，因為溫泉可以長時間保留生命的證據。

火星偵察軌道器的高解析度成像科學設備（HiRISE）拍攝許多照片，這些照片提供火星表面曾有大量液態水流動的證據。一個主要發現就是找到溫泉的證據。溫泉可能維持火星上的生命，而且可能保留火星古代生命的化石。

在2010年1月一篇《伊卡洛斯》的論文提到水手號峽谷周邊地區有長期維持降水的強力證據[94][95]。這區域的礦物形成都和水有關。同樣的，大量的小支流也指出有大量的降水，因為在地球上相同氣候條件的區域也出現類似地理特徵。

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  高分辨率成像科学设备拍攝的伊烏斯峽谷邊緣的河道。河道的特徵和該區高密度的分布是降水的水源。位於科普剌塔斯區。
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  高分辨率成像科学设备拍攝的坎多尔高原（Candor plateau）河道，位於科普剌塔斯區。點選影像可看到許多小的分支河道，這些河道是支持降水的強力證據。

火星有些地方出現倒轉地形。在這些地方，河床的位置是比周圍高的，而非形成峽谷。這些倒轉的河道可能是因為大岩石的沉積或是鬆散物質凝結。在以上兩種情況下周圍區域的侵蝕將會形成遠離舊河道的山脊，可以增強對侵蝕的抵抗。以下由高分辨率成像科学设备拍攝的影像顯示舊河道翻轉成彎曲的山脊[96]。

在一篇2010年出版的論文，有許多科學家贊同在宮本撞擊坑尋找生命，因為倒轉的河道和礦物是以前水曾經存在的證據[97][98]。

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  安東尼亞第撞擊坑內的倒轉河道。位於大瑟提斯區。
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  朱芬塔峽谷附近的倒轉河道，這些河道曾經是一般的河道。比例尺500公尺。位於科普剌塔斯區。
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  宮本撞擊坑內的倒轉河道，位於珍珠灣區。比例尺500公尺。
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  有許多支流的倒轉河道，位於大瑟提斯區。

研究人員利用來自火星全球探勘者號、2001火星奧德賽號和火星偵察軌道器資料找到分布很廣的氯化物鹽類礦物。氯化物通常是溶液溶解礦物最後的產物。以下一張影像顯示在法厄同區一些沉積物的狀態。這些證據表示這些沉積物是富含礦物的水蒸發後留下的。湖泊可能在火星表面大範圍存在。碳酸鹽、硫酸鹽和二氧化矽會在蒸發前先沉澱。硫酸鹽和二氧化矽已被火星探測車發現。氯化物鹽類存在的地區可能曾經有許多種生命形式。因此，這樣的區域可能保存遠古火星生命的遺跡[99]。

氯酸鹽類的沉積物是水存在的證據，位於法厄同區，高分辨率成像科学设备拍攝。

火星上許多地方的岩石多有明顯地層構造，哥倫布撞擊坑是其中一個有地層構造的撞擊坑。火山、風或水等許多地質作用會讓岩石出現分層構造[100]。火星許多地方的岩石都有地層構造。科學家對於在火星上找到因為大量水流而形成的地層構造相當興奮。

有時候岩石各層會有不同顏色。火星上的淺色調岩石形成原因跟水合礦物，如硫酸鹽有關。機會號以數個儀器仔細觀察這樣的岩層。有些岩層可能是由細顆粒土壤形成，因為這些岩石似乎會分裂成細顆粒塵埃；相對的，分裂成大塊岩石的地層則可能明顯較堅硬，而這些岩層可能是由玄武岩構成。玄武岩在火星各地都可被發現。軌道探測器上的儀器在一些岩層發現黏土（頁矽酸鹽）[101][102]。科學家對於發現水合礦物和黏土相當興奮，因為這些都是和水有關的礦物[103]。黏土和其他水合礦物存在的地方可能是適合尋找生命存在證據的地方[104]。

以下由高分辨率成像科学设备拍攝的影像是許多火星表面地層的例子。

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  貝克勒撞擊坑的地層；點選放大可看到斷層。位於歐克西亞沼區。
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  厄俄斯混沌地形的淺色調地層。位於科普剌塔斯区區。
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  哥倫布撞擊坑的地層。這幅假色影像幅寬約800英呎；地層內有水合礦物。位於门农區。
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  艾西莫夫撞擊坑西側斜坡的地層。位於挪亚區。
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  艾西莫夫撞擊坑西側斜坡的地層放大照。影子顯示突出的部分。部分地層對於侵蝕有較強抵抗力，所以較突出。位於挪亚區。
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  提托努利林峽谷，位於科普剌塔斯區。
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  朱芬塔峽谷西側地層。比例尺500公尺。位於科普剌塔斯區。

火星表面有很大面積的區域覆蓋一層可能是水冰和塵埃的混合物[105]。這層數公尺厚，富含水冰的沉積層使火星表面變平坦，但這些區域仍然有類似籃球表面的粗糙地表構造。因為這些區域很少撞擊坑，是相對年輕的區域。以下由高分辨率成像科学设备拍攝的影像可見這類區域的各種狀態。

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  有富含水冰層基層覆蓋的尼日谷，是這個緯度的典型地表特徵。V 形地表特徵是因為含冰物質移動造成。位於希臘區。
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  亞特蘭提斯混沌地形。這兩張影像是原始影像兩個不同區域，且不同比例，位於法厄同區。
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  地層狀況。位於諾亞區。

火星軌道和自轉傾角的變化造成水冰分布的明顯變化，這相當於從極區到相當於美國德克薩斯州的緯度。在一些時期水蒸氣會從極區離開進入大氣層；並在比較低緯度地區變成霜或雪後和泥沙混合沉積。火星大氣層有大量的細顆粒塵埃，在水蒸氣凝結在這些顆粒後因為重量而下沉到地面。當水冰從淺地層進入大氣，將會留下泥沙，這些留下的泥砂能阻隔剩餘的冰阻止冰的昇華[68]。

HiRISE 拍攝許多可能是水流在近年造成的山溝；許多山溝被拍攝多次影像以觀察是否有發生變化。有些山溝發生變化，部分科學家認為可能是這幾年中液態水造成的[106]；但也有許多人認為可能是乾的泥沙流[107]。這些是由火星全球探勘者號首先發現。

其他理論認為這些山溝或河道的形成是因為風的侵蝕[108]、液態二氧化碳[109]或液態甲烷[110]。

以下影像是高分辨率成像科学设备拍攝的數百個被研究過的山溝的影像。

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  水手號撞擊坑（Mariner Crater）內坑壁的大群山溝。
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  查瑞騰山脈（Charitum Montes）的山溝。位於阿爾及爾區。
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  HiISE拍攝傑札撞擊坑北側坑壁（上方）的山溝。暗線是塵捲風軌跡。比例尺是500公尺。位於阿爾及爾區。
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  格林撞擊坑的山溝。
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  格林撞擊坑的山溝特寫影像。位於阿爾及爾门农区
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  佩紐斯山的丘狀地形。貝狀地形在火星一些地區相當常見。
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  蒙德撞擊坑的突出部分是南側（底部）被侵蝕的坑壁。比例尺是500公尺。
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  艾西莫夫撞擊坑影像底部是西南側坑壁。影像上半部是填滿大部分撞擊坑的山丘邊緣。
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  艾西莫夫撞擊坑內山丘上的山溝。位於諾亞區。
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  法厄同區的山溝。注意河道如何環繞障礙物。
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  法厄同區有支流的的山溝。

海盜號軌道器拍攝到峭壁周圍有許多堆疊起來的物質長期以來一直讓科學家感興趣；這些岩石碎片的沉積物被稱為舌狀岩屑坡（LDAs）。這類地形是向外突起，並且有從懸崖或陡坡起源的緩坡地形；這代表流動是從陡峭的懸崖開始。此外，舌狀岩屑坡可以看到類似地球上岩流（石冰川）造成的地表線理[12]。最近研究人員分析火星偵察軌道器的淺地層雷達（SHARAD）觀測資料，發現強力證據顯示，在希臘平原和北半球中緯度的蛇狀岩屑坡是覆蓋有薄岩石的冰川。火星偵查軌道器的雷達接收到來自舌狀岩屑坡頂部和底部的強烈反射坡，代表純水冰造成LDA形成的阻礙（在兩個反射坡之間）[64][111]。根據鳳凰號的實驗和火星奧德賽號的觀測資料，我們現在知道水冰可以在火星高緯度區域地表下存在。在舌狀岩屑坡發現水冰代表水甚至可以在低緯度下存在；未來的火星殖民可以直接向下挖冰而不用到高緯度取水冰。而且舌状岩屑坡底下水冰的優勢是很容易使用軌道器發現與測繪其位置。舌狀岩屑坡在北緯38.2°的佛勒格拉山找到；而鳳凰號降落的地點是北緯68°，所以在舌狀岩屑坡發現水冰大幅增加人類未來在火星居住的可能性[112]。探測器在火星赤道附近降落遠比在極區降落容易，所以人類未來在火星赤道附近殖民的可能性增加。

以下影像是高分辨率成像科学设备拍攝的舌狀岩屑坡範例：

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  佛勒格拉山的舌狀岩屑坡，位於刻布壬尼亚區。這個岩屑坡極有可能是表面覆蓋一層岩石碎片的水冰，未來火星殖民可做為水的來源。比例尺是500公尺。
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  舌狀岩屑坡表面特寫影像。注意這些線條在地球上的岩流相當常見。位於希臘區。
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  沿著山坡看舌狀岩屑坡。位於阿卡迪亞區。
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  舌狀岩屑坡起源地。注意影像中的條紋，這些條紋指出運動方向。位於伊斯墨诺斯區。

亮的區域是被撞擊後暴露出來的水冰。這些冰是由火星偵察軌道器上的CRISM確定的。位於刻布瑞尼亚區。

2009年9月在科學期刊上的一篇論文報告一些火星表面的新撞擊坑暴露高純度的水冰[113]；在這之後冰就昇華進大氣層。這些冰存在於只有數英呎深處。這些冰是使用火星偵察軌道器上的火星專用小型偵察影像頻譜儀（CRISM）確定的。 這些冰其中3處是在刻布瑞尼亚區被找到；分別是：北纬55.57°, 东经150.62°; 北纬43.28°,东经176.9° 和北纬45°,东经164.5°。另外2處則是在狄阿克里亚區：北纬46.7°, 东经176.8° 和北纬46.33°, 东经176.9° E[114][115][116]。這個發現顯示未來火星殖民可以從許多地方取得水源；這些冰可以挖出後溶化，再電解成氫和氧作為火箭燃料之用。

2013年，9月26日，美国航空航天局科學家報告，火星探測車好奇號發現火星土壤含有豐富水分，大約為1.5至3重量百分比，顯示火星有足夠的水資源供給未來移民使用[117][118][119][120]。

2005年7月28日，ESA公布火星上一個撞擊坑被水冰部分填滿[128]；部分人士甚至推測這個發現是一個「冰湖」[129]。該撞擊坑的照片是由火星快車號上的高解析度立體相機拍攝；影像中顯示明顯的一層冰在北方大平原某個當時未命名，位於北緯70.5°，東經103°的撞擊坑。這個撞擊坑直徑約35公里，深度約2公里。

撞擊坑底部和冰層表面高度差約200公尺。欧空局的研究人員認為主要原因是因為冰層下部分可見的沙丘。雖然科學家沒有提出進一部理論指出這是冰湖，但目前證據可以證明這是水冰，而且這一區水冰在火星上是全年存在。水冰和永久凍土的沉積物可在火星表面多個地方被發現。

火星南半球的埃律西昂平原已經發現一些與流冰有關的地表特徵。這些被觀測到的片狀區域約有30公里長和30公里寬，位於一些河道之中；而這些河道位於深度和寬度相當於北海的平原上。這些片狀區域有破碎與旋轉的特徵，和其他熔岩形成的片狀區域有明顯差異。水流的來源被認為是來自附近科柏洛斯槽溝的斷層，估計該斷層噴出水的時間維持200至1000萬年[130]，但並不是所有研究人員都同意這說法[131]。

冰川在火星表面廣大地區形成許多可以可以被觀測到的地形特徵。這些地區大多在高緯度，尤其伊斯墨诺斯湖区被認為仍然有大量的水冰[12][132]。最近的證據讓許多行星科學家相信水冰仍然在火星表面以冰川形式存在，且表面覆蓋一層可以隔熱的薄岩石[59][60][61][62][63]。2010年三月科學家釋出在都特羅尼勒斯桌山群的雷達探測影像，在該區找到冰存在於數公尺岩石下的證據[133]。一般相信冰川是和銳蝕地形、許多的火山、甚至是一些撞擊坑一起出現。冰川表面上殘餘物的頂端顯示冰移動的方向。一些冰川的表面因為底下的冰昇華的關係而相當粗糙。冰直接昇華成水蒸氣且留下空洞使冰川上的物質坍塌進空洞[134]。冰川並非只有冰，而是帶有許多岩石和表土，冰川也會丟下其攜帶的物質形成類似山脊的地形，被稱為冰磧。火星有些地方有許多扭曲的冰磧群；可能是因為冰磧形成後又因為其他的運動而造成。有些大塊的冰從冰川掉落並且埋在地表以下，當這些冰溶化時或多或少留下一些空洞[135]，在地球上這類地形被稱為壺穴。在紐約州的蔓苳双湖公園（Mendon Ponds Park）可見到一些相同地質作用造成的壺穴。以下HiRISE拍攝莫羅撞擊坑的影像就顯示可能的壺穴地形。

其他影像顯示許多種與冰川存在有關的地形特徵。

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  火星全球探勘者號拍攝厄立特里亚區內克卜勒撞擊坑北方一個撞擊坑內的河道和可能的古代冰川殘餘。一個影像右側可能的冰川類似舌頭狀。
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  HiRISE拍攝的科勒槽溝內的线状谷底沉积。比例尺500公尺。位於伊斯墨诺斯湖區。
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  火星全球探勘者號拍攝的舌頭狀冰川。位於希臘區。

火星全球探勘者號拍攝的火星北半球早夏北極冰冠影像。

一般相信火星的北極冰帽（北極高原）和南方冰帽（南極高原）會在冬季形成厚冰層和在夏季部分冰冠昇華。火星快車號的資料顯示，2004年時火星南極冰帽平均厚度約3公里，由水冰和乾冰組成[136]，乾冰的組成比例與緯度有關。冰帽是85%乾冰和15%水冰組成[137]。火星冰帽的第二個組成部分則是從火星冰帽下降到附近平原的陡坡，幾乎都是由水冰形成[137]。第三個組成部分則是圍繞在外側的廣大永久凍土層，從斜坡底往外延伸數十公里[137][138]。NASA的科學家計算如果火星南極冰帽的水冰全部融化，將可淹沒火星表面，水深11公尺[139]。

2009年根據MRO上的雷達測量資料計算出火星北極冰帽的水冰體積約為82.1萬平方公里。這相當於格陵蘭30%的大陸冰川或者覆蓋火星表面5.6公尺（用北極冰帽體積除以火星表面積）[140]。

許多科學家長年以來認為火星表面部份區域很像地球上的冰緣（Periglacial）區[141]，或者也可以說這些區域就是永久凍土。許多觀測顯示有冰層存在於這類地區底下。在高緯度地區常可見到所謂的「圖案地」（Patterned ground），可以見到許多種不同的形狀，如條紋和多邊形。在地球上這種地形是因為土壤中的水分凍結和融化而引起[142][143]。其他還有許多證明火星地表下有大量水冰的證據，例如圍繞在銳利地形特徵的區域軟化[144]。地表下有冰的證據除了地表上明顯特徵以外，2001火星奧德塞號的伽馬射線光譜儀（Gamma Ray Spectrometer, GRS）的觀測結果和鳳凰號火星探測器的直接探測也提供許多證據[145]。

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  地表的多邊形特徵。
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  斯匹次卑爾根島的石環。
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  從上方看的冰楔（Ice wedge）。
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  鳳凰號火星探測器在火星北極的登陸地點附近是有大範圍圖案地特徵的平原。
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  這張照片是在直升機上拍攝的加拿大所屬北極地區。
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  有多邊形特徵的圖案地多與地表的冰有關。這張火星全球探勘者號的圖片位於約北緯45度的區域，可看到圖案地，在如此遠離極冠的區域相當罕見。

火星有些區域有許多類似地球上熔岩流過冰凍地表形成的椎狀地理特徵。熔岩的熱會將冰融化，使水冰變成水蒸氣。水蒸氣的強大力量穿過熔岩形成椎狀特徵。在以下影像，大型的椎狀物是因為水蒸氣穿過厚熔岩層而形成[146]。

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  HiRISE拍攝到阿薩巴斯卡谷（Athabasca Vallis）內的椎狀地形。這些地形是因為熔岩和冰的交互作用形成。在影像上方的大型椎狀物則是水或水蒸氣的力量穿過厚熔岩層。紅色代表地勢較高區域，比最低的深藍色區域高約170公尺。
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  HiRISE拍攝到根部消失的椎狀物。這一連串的環形成的解釋可能是因為地殼在水蒸汽的源頭上方移動。這些水蒸氣是因為熔岩和水冰的交互作用產生。

火星部分地形有貝狀沉降的特徵。這樣的特徵被認為是富含冰沉澱物的殘餘，貝狀是因為冰從凍土中昇華後留下的。這些覆蓋物可能是當火星自轉軸改變造成氣候變化時，從大氣中以冰的形式附著在塵埃上降下[147]。這些貝狀特徵有數十公尺深和長度延伸約數百至數千公尺，而形狀幾乎都是圓形或長橢圓形。有一部分地形看起來是因為河流造成大規模凹坑地形；造成這種地形的原因可能是水冰從縫隙中昇華。在貝狀地形可以看到許多多邊形裂縫，是冰凍地表的特徵[148][149]。

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  HiRISE拍攝的佩紐斯山貝狀地形。貝狀地形在火星相當常見。
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  HiRISE拍攝的貝狀地形形成階段，位於希臘區。

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[109]。

在地球物理研究期刊發表的一篇論文揭露古代的火星被認為有更密集的河道。火星上峽谷最密集的地區可以和地球類似區域相類比。該研究團隊開發一個電腦程式，以尋找U形地形結構的方式來確定峽谷位置[168]。大量的峽谷系統是火星古代有降雨的證據。火星全球的峽谷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谷系統有個南方分布邊界。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，無法形成峽谷；火星南方缺少降雨也可以解釋為什麼火星的峽谷越往南方就越淺[169]。

火星北半球大部分地區地勢比火星其他區域明顯低很多（參見火星分界），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[167]。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[170]。火星衛星雷射測高儀（Mars Orbiter Laser Altimeter, MOLA）精確測定火星表面的高程後，發現火星古代的分水嶺覆蓋火星表面三分之一[171]。

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[172]。

火星古代是否存在海洋在許多科學家之間引起爭議[173]。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[174]。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[175]。