火星曾经有水——直到它不再有。科学家认为，大约在四十亿年前，这颗行星的表面有大量液态水，足以形成河流、湖泊、海洋甚至海洋，或许还能支持生命。但在随后的十亿年中，发生了一些事情，触发了地表水的流失，直到剩下的只是我们今天看到的寒冷干燥的荒地世界。为什么以及如何发生这种情况仍然是个谜。“我们不确切知道为什么水位下降以及火星变得干旱，”加州理工学院的伊娃·谢勒说。
近年来，美国国家航空航天局的火星轨道飞行器MAVEN的观测结果表明，这种水消耗的驱动因素可能是大气流失。很久以前，由于未知的原因，火星失去了强大的磁场，使这颗行星暴露在来自太阳的大气侵蚀爆发中。结果，火星的大部分空气逸散到太空，据推测带走了这颗行星的大部分水。但在本周发表在《科学》杂志上的一篇新论文中，谢勒和她的同事认为，仅凭这一过程无法解释火星现代的干旱。相反，他们说，这颗行星的大量水（介于30%到99%之间）退回到了地壳中，以地壳水合作用的形式存在至今。
“要解释火星所有水的损失，（流失到太空的）损失必须非常大，”加州理工学院的贝瑟尼·埃尔曼在本周以虚拟形式举行的月球和行星科学会议的新闻发布会上说，该研究在会上进行了介绍。“我们意识到，我们需要关注过去10到15年火星探测中有关火星地壳中水性质的证据。”
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利用来自各种火星任务的大量证据，研究小组发现，今天的大气流失率不足以解释火星所有水的消失。
此外，在火星大气层中观察到的氘与氢的比例（这是解决其含水过去的重要线索）也与该行星的所有水都流失到太空的情况不符。氢足够轻，可以很容易地从行星的引力束缚中逃脱，而这种元素的较重同位素氘却不能。因此，今天大气中相对缺乏氘表明，以这种方式损失的水可能比想象的要少。需要另一种解释。
地壳水合作用（水被纳入矿物的晶体结构中）是这种解释的自然选择。事实上，它之前就被认为是火星水流失的重要机制。各种证据令人信服地表明，这个过程一定在行星历史上的某些时候发生过。例如，来自美国国家航空航天局的火星奥德赛号飞船上的中子光谱仪仪器的结果（该飞船于2001年到达该行星）显示，“基本上到处，地壳至少有2%的水，”埃尔曼说。“在赤道地区，那是土壤和岩石中的水。”美国国家航空航天局的火星勘测轨道飞行器后来的发现证实了这些结果，绘制了火星表面水合矿物的地图。“很明显，发现水变质的证据很常见，而不是罕见，”她补充道。
这种地壳水合作用情景并不意味着火星在其地下隐藏着一个液态水仙境。相反，由于水会被锁定在矿物中，火星地壳可能会特别富含粘土和水合盐。事实上，在地球上，这个过程并没有夺走我们的海洋，这可能与板块构造有关，板块构造允许被锁在岩石中的水通过火山活动有效地释放出来。然而，在像火星这样没有板块构造的行星上，这些水仍然会被困住。
如果火星目前的大气流失率与很久以前相同，那么地壳水合作用的数字可能更接近99%的估计值，谢勒说。“但我们不确定的是火星（过去）的大气结构是什么样的，”她说。“有不同的因素可能会使流失到太空的速率变得很高。”一种可能的方式是火星尘暴，它可以显著提高流失率，美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的太阳系探索部主任、火星表面好奇号探测器和MAVEN仪器首席研究员保罗·马哈菲说。他说，在全球沙尘暴期间，“一年中从水中损失的氢气可能在短短45天内就损失了。因此，（火星上）水随时间流失的历史是复杂的，而且没有完全受到限制。”
无论流失率有多高，谢勒说，“大量的水会进入地壳”，可能超过该行星总水量的一半。该团队估计，在火星的诺亚纪时期（从41亿年前到37亿年前），火星通过这一过程损失了其40%到95%的水。但即使在火星历史的后期，火山活动的爆发也可能循环利用了一些地表下的水分，从而可能为该行星的宜居性提供急需的推动。“你可能会有间歇性的宜居性，”位于华盛顿特区的美国国家航空航天局总部的美国国家航空航天局火星探测项目首席科学家迈克尔·迈耶说。“真正的问题是这些（火山）速率是多少。我们认为水在35亿年前是存在的。那么30亿年前呢？”
因此，了解火星如何以及何时失去其水对于了解那里是否可能存在生命以及存在多长时间至关重要。“地表水的存在可能与火星上生命的可能出现和存在高度相关，”马哈菲说。当前和未来的任务可以帮助我们更好地回答这个问题。其中一项工作是国际火星冰层测绘仪任务，这是美国国家航空航天局、日本、加拿大和意大利之间的合作项目，拟议于本十年晚些时候发射。“虽然它旨在寻找水本身，但它可以给你（地下）层，”迈耶说。“如果你能够确定这些层是什么，你就可以进行一些体积计算。”
与此同时，美国国家航空航天局的“毅力号”探测器上个月在火星着陆，也可能会提供有关其着陆点耶泽罗陨石坑水合矿物分布范围的有用结果。更重要的是，它将收集样本，一旦这些样本在未来十年被带回地球，就可以帮助进一步深入研究这个问题。“我们可以测量其中水中氘与氢的比例，”迈耶说。“这将帮助我们梳理出火星古代部分（的样子）。”