河流遗迹
从1964年到1967年，美国对火星发射了“水手号”和“海盗号”两个系列共8个探测器。1971年11月，“水手”9号对火星全部表面进行了高分辨率的照相，发现了火星上有宽阔而弯曲的河床。不过，这些河床与轰动一时的运河完全是两回事。这些干涸的河床，最长的约1，500公里，宽达60公里或更多。主要的大河床分布在赤道地区，大河床和它的支流系统结合，形成脉络分明的水道系统，还可以观测到呈泪滴状的岛、沙洲和辫形花纹，支流几乎全部朝着下坡方向流去。科学家们分析，只有像水那样的少粘滞性流体才能造成这种河床，这是天然河床，绝不是“火星人”的运河。
那么，火星上的河水流到哪里去了呢？这便成了当代“火星河之谜”。
火星河床说明，过去的火星肯定与今日的火星大不相同。有一种假说认为，在火星历史的早期，频繁的火山活动喷出了大量气体，这些浓厚的原始大气曾经使火星表面温暖如春，造成了冰雪融化、河水滔滔的景色。后来火山活动减少，火山气体逐渐分解，火星大气变得稀薄、干燥、寒冷，从此，河水干涸，火星成为一个荒凉的世界。
今天的火星表面温度很低，大部分水作为地下冰存在于极冠之中。极稀薄的大气，使得冰在温度足够高时只能直接升华为水蒸气，自由流动的河水是无法存在的。
远古海洋
科学家根据“火星勘测轨道器”(MRO)拍摄的图像，识别出一个巨大的冲积三角洲。这个三角洲所在的河流最终注入一个面积几乎覆盖1/3火星表面的巨型海洋。
尽管科学家们长期以来一直认为火星北半球广阔的低地平原是一片干涸的古代海洋，但是苦于缺乏确凿的证据。此次的研究结果尽管距离给出直接的证据仍然有距离，但它的确进一步支持了这一理论。
科学家们还仔细观察了一个名为“Aeolis Dorsa”的区域中的一部分，面积约100㎞²，这片地区距离盖尔陨石坑约620英里(约合1000公里)。这一小块区域中分布有很多隆起的脊线，这主要是长期流水沉积下来的一些较粗砾石堆积形成的这种脊线在其所在的河流干涸很久之后仍然能够继续存在，从而告诉科学家们这里曾经存在过的水系的情况。研究人员发现这些高起的脊线呈放射状扩散而地形上朝向脊线末端逐渐降低高度，这就像是地球上的河流三角洲——即河流入海口附近的情况。
在此之前在火星上便已经发现过河流三角洲遗迹。但是其中绝大部分都位于陨石坑或其它地质学上封闭的区域内，因此那些案例所提示的是火星过去存在的湖泊，而不是一个全球性的海洋。但是这次的发现可能是最具说服力的证据之一证明存在一个注入火星北部广阔水域的河流三角洲遗迹。
火星的古代环境以及这些环境下产生的沉积纪录，都和地球非常相似。
2015年9月28日，科学家称火星上不但只有位于两极、已经凝固成冰的水，更有只会在和暖季节时出现、流动的液态水。 科学家指他们的最新发现，强烈支持在火星表面上，有盐水于夏季时分在部分斜坡上流动的理论。
冰的存在
2007年三月，NASA就声称，南极冠的冰假如全部融化，可覆盖整个星球。
科学家们推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere），只有当火山活动时才有可能释放出来。史上最大的一次是在水手谷形成时，大量水释出，造成的洪水刻划出众多的河谷地形，流入克里斯平原。另一次较小的一次，是在五百万年前科伯洛斯槽沟（Cerberus Fossae）形成时，释出的水在埃律西姆平原（Elysium Planitia）形成冰海，至2019仍能看见痕迹。对于火星上有冰存在的直接证据在2008年6月20日被凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。不过有人提议，这可能是二氧化碳霜或是地表尘埃移除造成的。2008年7月31日，美国航空航天局科学家宣布，凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生。
湖的遗迹
环绕火星的卫星证实了照片上巨大的陨石坑曾经是一个火山湖。火星车在一个水流的沉积物成扇形的三角洲着陆而发现了它。这个65千米宽的陨石坑虽然已经彻底干枯了，但是这种迹象表明古老的火星上曾经很湿润。图片上的三角洲位于火星南部高地的厄伯斯华德陨石坑，看起来像是一个向右边凹进的半圆。它是在37亿年前一次小行星的猛烈撞击下形成的。
陨坑只有右边是完整的，其余的被一个由后来陨石猛烈撞击形成的更大的霍尔登陨坑所掀起的碎屑覆盖，这就是原始的火山湖，曾经完全处于潮湿的状态，而如今由于无数次的陨石撞击，它早已干枯。陨石坑的右边保存完整，然而其余部分由后来陨石猛烈撞击形成的更大的霍尔登陨坑所掀起的碎屑覆盖。如今可以看来这个河口三角洲显示火星曾是水世界。狭长，弯曲的河道，用于湖水的流淌和沉积物的储存。由于多年的侵蚀作用和行星的碰撞，沉积物掩埋堆积而促使表面干枯。另外，美国国家航空暨太空总署也宣布，“好奇号”火星探测车在火星发现了一个早已干涸的远古淡水湖，并且找到了碳、氢、氧、硫、氮等关键的生命元素。科学家表示，理论上这个湖泊曾经支持过一些简单的微生物存活。我们大胆的设想，这个距离地球至少有5576万公里的星球，说不定真有更高等级的生命。
另一种假说认为，在火星的早期历史，自转轴的倾斜度比现在更大，因而两极的极冠融化，大量二氧化碳进入大气，大量的水蒸发并凝成雨滴在赤道地区落下，形成河流。
还有很多关于火星河流消失的假说，但这并不是最终的目的，科学家们最关心的是：水到底哪里去了？是什么使火星有这么大的变化？如果火星存在液态水，是否产生过生命呢？
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