Atmosféra, oblačnost a voda
Atmosféra
Mars má dnes velmi řídkou atmosféru, která není schopná zadržovat tepelnou výměnu mezi povrchem a okolním prostorem, což má za následek velké teplotní rozdíly během dne a noci. Tlak na povrchu se pohybuje mezi 600 až 1000 Pa, což je přibližně 100 až 150krát méně než na povrchu Země či jako přibližně ve 30 km nad jejím povrchem. Podobně jako na Zemi ale dochází ke změnám v atmosféře v závislosti na sezónních výkyvech, jak se planeta přibližuje a oddaluje od Slunce. V zimě 25–30 % atmosférického oxidu uhličitého zmrzne na pólech, zatímco v létě opět sublimuje a vrátí se do atmosféry.
Atmosféra je tvořena převážně z oxidu uhličitého (95,32 %), dále obsahuje: dusík (2,7 %), argon (1,6 %), kyslík (0,13 %), oxid uhelnatý (0,07 %) a vodní páry (0,03 %), která vzniká sublimací z polárních čepiček. Mezi ostatní plyny vyskytující se v atmosféře se pak ještě řadí neon, krypton, xenon, ozón a metan (který je možným indikátorem života na Marsu, jelikož podléhá rychlému rozpadu).
Průměrná teplota u povrchu planety je okolo −56 °C. Pro Mars jsou charakteristické velké rozdíly mezi dnem a nocí. Na rovníku se teploty běžně pohybují od −90 do −10 °C, a nad nulu se dostanou jen výjimečně. Naproti tomu teplota povrchové vrstvy půdy může někdy dosáhnout až +30 °C. I přes tyto občasně příznivé teploty nemůže na povrchu existovat kapalná voda. Voda by se okamžitě začala vypařovat vlivem nízkého tlaku. Ve výšce okolo 40 až 50 km nad povrchem se nachází vrstva, která má stálou teplotu. Následně ve výšce přibližně 130 km začíná ionosféra a vodíková koróna planety dosahuje až do výšky 20 000 km.
Podrobné znalosti o složení atmosféry, jejích změnách a o dlouhodobějším klimatu byly získány díky několika sondám, které na povrchu přistály (např. Viking 1 a 2, Spirit, Opportunity atd.), či které zkoumaly atmosféru z orbity. Na základě měření se zjistilo, že i na Marsu panuje skleníkový efekt, který otepluje planetu přibližně o 5° C a zadržuje okolo 30 % tepelné energie. Výškově se atmosféra dělí na nižší (do 45 km), střední (do 110 km) a vyšší (nad 110 km).
Oblačnost Na Marsu byla pozorována i oblačnost, která je nejspíše tvořena krystalky oxidu uhličitého vznikajících ve výšce okolo zhruba patnácti kilometrů. Vyjma oblačnosti se zde projevují i další procesy napovídající, že i na Marsu panují procesy měnícího se počasí. Vedle počasí je atmosféra planety také dějištěm častých prachových bouří, které občas dosáhnou celoplanetárního charakteru nebo i malé vzdušné víry v podobě prašných vírů. Během bouří mohou větry na povrchu planety dosahovat až rychlostí okolo 200 km/h, vynášejíce do atmosféry značné množství drobných prachových částic (obsahujících magnetit) o velikosti 0,1 mikrometru až 0,01 mm. Protože magnetit má větší schopnost pohlcovat modré světlo než červené, atmosféra se při pohledu z planety zdá žlutavá, či při východu/západu Slunce červená. Proces, který toto způsobuje je složitější než Rayleighův rozptyl, který je znám ze Země způsobující zde modrou barvu. Průměrné rychlosti větru jsou však 35 až 50 km/hod. Díky řidší atmosféře ale nemá vítr takovou sílu jako obdobný vítr na Zemi.
Voda
Ma'adim Vallis – koryto vyhloubené tekoucí vodou v oblasti kráteru Gusev (horní kráter, který dosahuje průměru 170 km)
(Viking)V současnosti kvůli nízkému tlaku nemůže na povrchu Marsu existovat voda v tekuté podobě – existuje buď ve formě ledu nebo jako vodní pára, která vzniká sublimací při zvýšení teploty. Dle pozorování se zdá téměř jisté, že se na povrchu planety tekoucí voda v minulosti vyskytovala. Je nyní spíše otázkou, kdy a jak dlouho se tam tekoucí voda nacházela a kam se poděla. Předpokládá se, že povrch Marsu byl zaplaven oceánem v období noachianu. Vlivem ochlazování planety v hesperianu došlo k zmrznutí povrchové vody, část jí zřejmě unikla do kosmického prostoru. Následné erozivní procesy pohřbily část zmrzlého ledu pod povrch Marsu. Vedle těchto zatím neprozkoumaných vodních zdrojů se na pólech nacházejí dvě polární čepičky, které jsou částečně tvořeny vodním ledem a částečně suchým ledem. Předpokládá se, že se voda vyskytuje i ve formě permafrostu, který by měl zasahovat až do oblastí kolem 60°. V roce 2007 NASA provedla odhad množství vody zachycené v jižní polární čepičce. Dle modelu by veškerá voda zaplavila celý Mars do výšky 11 metrů.
Díky novým podrobným snímkům byly na povrchu Marsu rozlišeny geomorfologické pozůstatky vodní činnosti v podobě říčních koryt, sedimentů, pozůstatky zaplavených oblastí, či relikty po rychlém úniku vody z kryosféry Marsu vlivem vulkanické aktivity. Předpokládá se, že jeden podobný obrovský únik vytvořil i údolí Valles Marineris, které vzniklo v dávné historii Marsu. Dalším příkladem může být Cerberus Fossae, u které se předpokládá vznik před 5 milióny let. Prolomení vyvrhlo vodu do oblasti Elysium Planitia, kde vytvořila ledové moře viditelné do dnešních dnů