Фізична характеристика
Устелена скелями поверхня Марса, сфотографована марсоходом Mars Pathfinder
Згідно з орбітальними спостереженнями й експертизою марсіанських метеоритів, поверхня Марса складається в основному з базальту. Деякі докази свідчать, що частина поверхні Марса багатша на кварц, ніж типовий базальт. Більша частина поверхні багата на оксид заліза(III).

Марсіанські породи представлені уламковими пористими породами і еоловими пісками. Густина марсіанських порід на піщаних рівнинах — 1-1,6; на скелястих рівнинах — 1,8 (для порівняння, на Місяці, відповідно: 1-1,3 і 1,5-2,1). Розмір частинок на поверхні планети: 10-100 мкм — від 60% (піщані рівнини) до 30% (скелясті рівнини), 100–2000 мкм — відповідно від 10% до 30%. Основні компоненти марсіанських порід — залізо (в деяких пробах — до 14%), кальцій, алюміній, кремній, сірка. Є також стронцій, цирконій, рубідій, титан. Ґрунт Марса згідно з наявними даними, представлений сумішшю силікатів і мінералів класу оксидів зі значним вмістом сульфатів (можливо, гідратованих). Сірка, очевидно, наявна в сульфатах. Велика кількість червоного пилу з діаметром часточок близько 1 мкм надає поверхні планети червонястого відтінку. Характерна особливість поверхні Марса — наявність кріосфери — льоду Н2О в полярних шапках і в ґрунті. Сучасні дані з марсіанських порід свідчать про існування на Марсі хімічно диференційованої кори, аналогічної земній корі.

У центрі Марса розташоване ядро, діаметром близько 2968 кілометрів, яке складається в основному з заліза із вмістом сірки близько 14-17%. Ядро перебуває в рідкому стані й має вдвічі більшу концентрацію легких елементів, ніж ядро Землі. Ядро оточене мантією з силікатів, яка сформувала багато тектонічних і вулканічних особливостей на планеті, але зараз вже не діє. Середня товщина кори планети — близько 50 км, максимальна товщина — 125 км.

Планетологічну історію Марса поділяють на донойський час та три періоди: нойський, гесперійський та амазонський.

Донойський час: від утворення Марса до 4,18–4,08 млрд років тому. Тоді Марс мав магнітне поле. Наприкінці того часу з'явилися низовини північної полярної області.
Нойський період: від 4,18–4,08 до 3,74–3,50 млрд років тому. Поділений на 3 епохи (ранньонойську, середньонойську та пізньонойську). На початку періоду відбувалося інтенсивне астероїдне бомбардування; з'явилися басейни рівнин Еллада та Аргір. Пізніше розпочався ріст вулканічного нагір'я Фарсида. Інтенсивно формувалися річкові долини.
Гесперійський період: від 3,74–3,50 до 3,46–2,0 млрд років тому. Поділений на 2 епохи. На початку періоду йшло активне рифтоутворення в долинах Марінера та лабіринті Ночі. Тривали вулканічні виверження (зокрема, на нагір'ї Елізій). З'явилися річкові русла, що впадають у рівнину Хриса.
Амазонський період: від 3,46–2,0 млрд років тому до сьогодні. Поділений на 3 епохи. На початку періоду — інтенсивне заповнення осадами північних низовин, а наприкінці — утворення шаруватих відкладень у полярних областях. Протягом більшої частини періоду тривали виверження вулканів Фарсиди та Елізія.

Температурний режим й атмосфера

Марс під час пилової бурі 28 жовтня 2005 року. Фотографію зроблено Космічним телескопом ім. Едвіна Хаббла
Через більшу віддаленість від Сонця Марс отримує на 57% менше енергії, ніж Земля. Середньорічна температура там −60° С. Температура поверхні протягом доби істотно змінюється. Наприклад, у південній півкулі на широті 50 градусів температура в середині осені змінюється від −18 градусів (опівдні) до −63 градусів (увечері). Однак на глибині 25 м під поверхнею температура практично постійна −60° С і не залежить від сезону. Максимальні значення температури поверхні не перевищують декількох градусів вище 0°C, а мінімальні значення, зареєстровані на північній полярній шапці, — мінус 138 °C.

Атмосфера Марса досить розріджена. Атмосферний тиск на поверхні змінюється від 0,3 мбар (на горі Олімп) до 12 мбар, із середнім тиском на поверхні близько 6,1 мбар. Це в 160 разів менше тиску на рівні моря нашої планети (1 бар). Висота однорідної атмосфери становить близько 11 км, вона більша, ніж на Землі (8 км) через нижчу гравітацію.

Атмосфера на Марсі складається з 95% вуглекислого газу, 3% азоту, 1,6% аргону й містить сліди кисню й води. Атмосфера дуже запилена через велику кількість мікрочастинок близько 1,5 µm у діаметрі, які надають марсіанському небу рудувато-коричневого відтінку, якщо дивитися з поверхні планети.

Рельєф

Область кратера Гусєва, сфотографована американським марсоходом Spirit
У наземний телескоп на поверхні Марса можна розрізнити лише темні та світлі ділянки розміром у сотні й тисячі кілометрів — деталі альбедо. Зокрема, добре видно білі полярні шапки. Ще наприкінці XVIII століття видатний англійський астроном В. Гершель помітив, що розміри полярних шапок змінюються залежно від сезону. Улітку шапки випаровуються й зменшуються, причому одночасно з полярних ділянок у помірні широти поширюється «хвиля потемніння» ділянок поверхні.

Наприкінці XIX століття італійські астрономи А. Секкі і Дж. Скіапареллі повідомили, що неодноразово спостерігали на Марсі довгі тонкі темні лінії, які нагадують мережу каналів, і наче зв'язують полярні й помірні зони планети. Однак не всі астрономи поділяли цю думку. Справа в тому, що ці лінії спостерігалися на межі роздільної здатності. У таких випадках окремі плями зорово поєднуються в лінії. На фотографіях поверхні Марса, отриманих за допомогою космічних станцій, видно багато долин і тріщин, однак ототожнити їх з каналами, показаними на картах Скіапареллі, не вдалося.

Під поверхнею Марса на окремих ділянках є шар вічної мерзлоти товщиною кілька кілометрів. У таких районах на поверхні кратерів видно незвичайні для планет земної групи застиглі потоки, за якими можна зробити висновок про наявність підповерхневого льоду. За винятком рівнин, поверхня Марса сильно кратерована. Кратери здебільшого виглядають більш зруйнованими, ніж на Меркурії чи Місяці. Сліди вітрової ерозії можна побачити всюди.

Обробка збурень в орбітальному русі космічних апаратів дозволили отримати мапу ареоїда (марсіанського аналога геоїда). Виявилося, що вона добре корелює з рельєфом Марса, що свідчить про слабкість прояву ізостазії. Особливо помітний Олімп. Ареоїд оконтурює гору западинами глибиною від 300 м до 400 м. Над центром гори ареоїд піднімається на 500 м. Гравітаційні аномалії в гірському регіоні Фарсида досягають 344 мГал на висоті супутника (275 км). Взагалі, гравітаційні аномалії на Марсі перевищують гравітаційні аномалії на Землі в 17 разів. Питання про ізостазію залишається поки відкритим.

Для поверхні Марса характерна глобальна асиметрія в розподілі знижених ділянок — рівнин, що складають 35% усієї поверхні, і піднесених, вкритих безліччю кратерів районів. Значна частина рівнин розташована в північній півкулі. Межа між ними в деяких випадках представлена особливим типом рельєфу — столовими горами, складеними плосковершинними гірками й хребтами.

Над нагір'ям Фарсида (що має висоту близько 9 км) на висоту до 17 км піднімаються чотири велетенські згаслі вулкани. Найбільший серед них — Олімп, розташований на західній околиці нагір'я. Його основа має діаметр 600 км, а кальдера на вершині — 60 км. Над середнім рівнем поверхні він височіє майже на 26 км. Недалеко від нього на одній прямій розташовано три дещо менших вулкани: Аскрійська гора, гора Павлина й гора Арсія. Загалом на Марсі знайдено понад 70 згаслих вулканів, але всі інші значно менші за перераховані чотири.

Полярні шапки Марса багатошарові. Нижній, основний шар товщиною в кілька кілометрів утворений звичайним водяним льодом, змішаним з пилом. Це постійні шапки, що зберігається й у літній період. Сезонні зміни полярних шапок, що спостерігаються, відбуваються за рахунок верхнього шару товщиною менше 1 метра, що складається з твердої вуглекислоти, так званого «сухого льоду».

Площа, вкрита цим шаром, інтенсивно збільшується в зимовий період, досягаючи паралелі 50 градусів, а іноді й долаючи цю межу. Навесні, із підвищенням температури, цей шар випаровується й залишається лише постійна шапка. Хвиля потемніння ділянок поверхні, що спостерігається зі зміною сезонів, пояснюється зміною напрямку вітрів, що постійно дмуть у напрямку від одного полюса до іншого. Вітер здуває верхній шар сипучого матеріалу — світлий пил, оголюючи ділянки темніших порід. У періоди, коли Марс проходить перигелій, рівновага марсіанського середовища порушується. Вітер підсилюється до 69 км/год., починаються бурі. Більше мільярда тонн пилу піднімається й утримується в зваженому стані, різко змінюється кліматичний стан всієї марсіанській кулі. Тривалість пилових вітрів іноді досягає 50 — 100 діб. Під час пилових буревіїв на Марсі виникає так званий «антипарниковий ефект», коли хмари пилу не пропускають сонячне випромінювання до поверхні, але пропускають теплове випромінювання, що іде від неї, тому поверхня сильно охолоджується, а атмосфера розігрівається.

Уточнення космічними апаратами складу атмосфери дало змогу виявити роль полярних шапок у формуванні буревіїв. Під час танення полярних шапок утворюються величезні маси вуглекислого газу й збільшується тиск над ними, внаслідок чого виникають потужні вітри, що піднімають з поверхні дрібні частки ґрунту.

Першим передбачив, що Марс має супутники, Йоганн Кеплер 1610 року. У спробах розшифрувати анаграму Галілея про кільця Сатурна («Найвищу планету потрійною спостерігаю») Кеплер вирішив, що Галілей виявив супутники Марса. 1643 року монах-капуцин Антон Марія Ширл стверджував, що бачив «марсіанські місяці». 1727 Джонатан Свіфт у «Мандрах Гуллівера» описав два маленьких супутники Марса, які були відомі астрономам острова Лапута. Вони оберталися навколо Марса за 10 і 21,5 годин. Про ці ж супутники 1750 року згадав Вольтер у романі «Мікромегас». 10 липня 1744 року німецький капітан Кіндерман повідомив, що обчислив орбітальний період марсіанського супутника, котрий дорівнював 59 годинам 50 хвилинам і 6 секундам. 1877 року американській астроном Асаф Холл, працюючи у військово-морський обсерваторії США з найбільшим у країні 26-дюймовим рефрактором Кларка, нарешті знайшов Фобос та Деймос, два маленьких супутники Марса. Їх орбітальні періоди виявились близькими до періодів, які запропонував Свіфт на 150 років раніше.

До другої половини XX століття про два супутники Марса Фобос і Деймос було відомо небагато. Потім їх спостерігали орбітальні космічні апарати: «Вікінг-1» пролетів на відстані 100 км від поверхні Фобоса, а «Вікінг-2» — на відстані 30 км від Деймоса.

Фобос робить повний оберт навколо Марса за 7 годин 39 хвилин. Супутник перебуває на відстані 6000 кілометрів від поверхні планети. Це ближче межі Роша, і без внутрішнього опору супутник було б розірвано на частини припливними силами. Ці сили також сповільнюють рух Фобоса і, можливо, призведуть до зіткнення супутника з Марсом менше, ніж через 100 мільйонів років. Деймос розташований на віддаленішій орбіті, і припливні сили зумовлюють подальше віддалення від планети. Фобос і Деймос видно на Марсі не з усіх місць через їх невеликі розміри, близькість до планети й приекваторіальні орбіти.Обидва супутники — шматки гірської породи неправильної, приблизно еліпсоїдальної форми. Нерівна поверхня Фобоса повністю вкрита метеоритними кратерами. Найбільший кратер Стікні охоплює значну частину супутника. Його поверхня також вкрита системою лінійних переломів, або заглиблень, багато з яких геометрично пов'язані з кратером Стікні. Поверхня Деймоса, навпаки, здається гладенькою, бо багато кратерів майже повністю вкрито уламками порід.

Альбедо обох супутників дуже низьке, як у найпростіших типів метеоритів.

Остаточно проблему походження супутників не вирішено. Найвірогідніша версія — це астероїди, які було захоплено Марсом, коли він тільки починав формуватися. Можливо, вони збереглися від часу формування планети. 2010 року група італійських астрономів з Національного інституту астрофізики Італії опублікувала дані на користь того, що Фобос сформувався саме таким чином