火星曾經有水——直到它不再有。科學家認為，大約在四十億年前，這顆行星的表面有大量液態水，足以形成河流、湖泊、海洋甚至海洋，或許還能支援生命。但在隨後的十億年中，發生了一些事情，觸發了地表水的流失，直到剩下的只是我們今天看到的寒冷乾燥的荒地世界。為什麼以及如何發生這種情況仍然是個謎。“我們不確切知道為什麼水位下降以及火星變得乾旱，”加州理工學院的伊娃·謝勒說。
近年來，美國國家航空航天局的火星軌道飛行器MAVEN的觀測結果表明，這種水消耗的驅動因素可能是大氣流失。很久以前，由於未知的原因，火星失去了強大的磁場，使這顆行星暴露在來自太陽的大氣侵蝕爆發中。結果，火星的大部分空氣逸散到太空，據推測帶走了這顆行星的大部分水。但在本週發表在《科學》雜誌上的一篇新論文中，謝勒和她的同事認為，僅憑這一過程無法解釋火星現代的乾旱。相反，他們說，這顆行星的大量水（介於30%到99%之間）退回到了地殼中，以地殼水合作用的形式存在至今。
“要解釋火星所有水的損失，（流失到太空的）損失必須非常大，”加州理工學院的貝瑟尼·埃爾曼在本週以虛擬形式舉行的月球和行星科學會議的新聞釋出會上說，該研究在會上進行了介紹。“我們意識到，我們需要關注過去10到15年火星探測中有關火星地殼中水性質的證據。”
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利用來自各種火星任務的大量證據，研究小組發現，今天的大氣流失率不足以解釋火星所有水的消失。
此外，在火星大氣層中觀察到的氘與氫的比例（這是解決其含水過去的重要線索）也與該行星的所有水都流失到太空的情況不符。氫足夠輕，可以很容易地從行星的引力束縛中逃脫，而這種元素的較重同位素氘卻不能。因此，今天大氣中相對缺乏氘表明，以這種方式損失的水可能比想象的要少。需要另一種解釋。
地殼水合作用（水被納入礦物的晶體結構中）是這種解釋的自然選擇。事實上，它之前就被認為是火星水流失的重要機制。各種證據令人信服地表明，這個過程一定在行星曆史上的某些時候發生過。例如，來自美國國家航空航天局的火星奧德賽號飛船上的中子光譜儀儀器的結果（該飛船於2001年到達該行星）顯示，“基本上到處，地殼至少有2%的水，”埃爾曼說。“在赤道地區，那是土壤和岩石中的水。”美國國家航空航天局的火星勘測軌道飛行器後來的發現證實了這些結果，繪製了火星表面水合礦物的地圖。“很明顯，發現水變質的證據很常見，而不是罕見，”她補充道。
這種地殼水合作用情景並不意味著火星在其地下隱藏著一個液態水仙境。相反，由於水會被鎖定在礦物中，火星地殼可能會特別富含粘土和水合鹽。事實上，在地球上，這個過程並沒有奪走我們的海洋，這可能與板塊構造有關，板塊構造允許被鎖在岩石中的水透過火山活動有效地釋放出來。然而，在像火星這樣沒有板塊構造的行星上，這些水仍然會被困住。
如果火星目前的大氣流失率與很久以前相同，那麼地殼水合作用的數字可能更接近99%的估計值，謝勒說。“但我們不確定的是火星（過去）的大氣結構是什麼樣的，”她說。“有不同的因素可能會使流失到太空的速率變得很高。”一種可能的方式是火星塵暴，它可以顯著提高流失率，美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的太陽系探索部主任、火星表面好奇號探測器和MAVEN儀器首席研究員保羅·馬哈菲說。他說，在全球沙塵暴期間，“一年中從水中損失的氫氣可能在短短45天內就損失了。因此，（火星上）水隨時間流失的歷史是複雜的，而且沒有完全受到限制。”
無論流失率有多高，謝勒說，“大量的水會進入地殼”，可能超過該行星總水量的一半。該團隊估計，在火星的諾亞紀時期（從41億年前到37億年前），火星透過這一過程損失了其40%到95%的水。但即使在火星曆史的後期，火山活動的爆發也可能迴圈利用了一些地表下的水分，從而可能為該行星的宜居性提供急需的推動。“你可能會有間歇性的宜居性，”位於華盛頓特區的美國國家航空航天局總部的美國國家航空航天局火星探測專案首席科學家邁克爾·邁耶說。“真正的問題是這些（火山）速率是多少。我們認為水在35億年前是存在的。那麼30億年前呢？”
因此，瞭解火星如何以及何時失去其水對於瞭解那裡是否可能存在生命以及存在多長時間至關重要。“地表水的存在可能與火星上生命的可能出現和存在高度相關，”馬哈菲說。當前和未來的任務可以幫助我們更好地回答這個問題。其中一項工作是國際火星冰層測繪儀任務，這是美國國家航空航天局、日本、加拿大和義大利之間的合作專案，擬議於本十年晚些時候發射。“雖然它旨在尋找水本身，但它可以給你（地下）層，”邁耶說。“如果你能夠確定這些層是什麼，你就可以進行一些體積計算。”
與此同時，美國國家航空航天局的“毅力號”探測器上個月在火星著陸，也可能會提供有關其著陸點耶澤羅隕石坑水合礦物分佈範圍的有用結果。更重要的是，它將收集樣本，一旦這些樣本在未來十年被帶回地球，就可以幫助進一步深入研究這個問題。“我們可以測量其中水中氘與氫的比例，”邁耶說。“這將幫助我們梳理出火星古代部分（的樣子）。”