Четверта від Сонця планета, названа по імені бога війни - Марса, розташована в 1,5 рази далі, ніж Земля. Вона рухається по більш витягнутій орбіті, здійснюючи повний оборот за 687 земних діб. Через кожні 780 днів Земля і Марс виявляються на мінімальній відстані один від одного, яке змінюється від 56 до 101 млн. Км. Такі зближення планет називають протистояннями. Якщо ж відстань менше 60 млн. Км, то їх називають великими. Великі протистояння спостерігаються через кожні 15-17 років. Ексцентриситет орбіти Марса становить 0,09, тому відстань від Марса до Сонця змінюється від 207 млн. Км в перигелії до 250 млн. Км в афелії.
Екваторіальний радіус Марса - 3394 км на 20 км більше полярного. По масі Марс в десять разів менше, а по площі поверхні в 3,5 рази менша за Землю. Орбіти Марса і Землі практично лежать в одній площині (кут між ними становить 2 градуси). Період обертання Марса, певний наземними телескопічними спостереженнями за яскравими деталями поверхні, становить 24 години 39 хвилин і 36 секунд. Вісь обертання Марса нахилена на кут 25,2 градуси від перпендикуляра до площини орбіти і спрямована в Сузір'я Лебедя.
На Марсі також спостерігається зміна пір року, тривалість яких майже вдвічі більше. Через еліптичної орбіти сезони в північній і південній півкулі мають різну тривалість: літо в північній півкулі продовжується 177 марсіанських діб, а в південному воно на 21 день коротше і тепліше на 20 градусів, ніж літо в північній півкулі.
Через більшу віддаленість від Сонця Марс отримує лише 43% тієї енергії, яку отримує Земля. Середньорічна температура там -60 ° С. Протягом доби температура поверхні змінюється істотно. Наприклад, в південній півкулі на широті 50 градусів температура в середині осені змінюється від -18 градусів (опівдні) до -63 градусів (ввечері). Однак, на глибині 25 см під поверхнею температура практично постійна -60 ° С. протягом доби і не залежить від сезону. Максимальні значення температури поверхні не перевищують декількох градусів вище 0, а мінімальні значення зареєстровані на північній полярній шапці -138 ° С.
Такі зміни температури пояснюються тим, що атмосфера Марса, що складається на 95% з вуглекислого газу, дуже розріджена і парниковий ефект відсутній. Інші складові атмосфери: 2,5% азоту, 1,6% аргону, менше 0,4 кисню. Середній тиск атмосфери біля поверхні (6,1 мбар) в 160 разів менше, ніж тиск на рівні моря нашої планети (1 бар). У найглибших западинах воно може досягати 12 мбар. Атмосфера планети суха.
У хороший телескоп на поверхні Марса можна розрізнити лише великі темні і світлі області поперечником в сотні і тисячі кілометрів. Добре видно білі полярні шапки Марса. Ще в кінці XVIII століття видатний англійський астроном В.Гершель зауважив, що розміри білих полярних шапок періодично змінюються зі зміною сезону. Влітку шапки випаровуються і зменшуються в розмірах, причому одночасно з полярних областей в помірні широти поширюється "хвиля потемніння" ділянок поверхні.
В кінці XIX століття італійські астрономи А.Секкі і Дж.Скіапареллі повідомили, що неодноразово бачили тонкі довгі темні лінії, що нагадують мережу каналів, як би зв'язують полярні і помірні зони планети. Американський астроном П.Ловелл припустив, що канали мають штучне походження. Однак не всі астрономи поділяли цю думку. Справа в тому, що ці лінії знаходилися на межі дозволу. У таких випадках окремі плями зорово об'єднуються в лінії. На фотографіях поверхні Марса, отриманих за допомогою космічних станцій, видно безліч долин і тріщин, проте поєднати їх з каналами, показаними на картах Скіапареллі, не вдалося.
Карти Марса П.Ловелла і Скіапареллі
Полярні шапки Марса багатошарові. Нижній, основний шар товщиною в кілька кілометрів утворений звичайним водяним льодом, змішаним з пилом, який зберігається і в літній період. Це постійні шапки. Спостережувані сезонні зміни полярних шапок відбуваються за рахунок верхнього шару товщиною менше 1 метра, що складається з твердої вуглекислоти, так званого «сухого льоду».
Покривається цим шаром площа швидко росте в зимовий період, досягаючи паралелі 50 градусів, а іноді і переходячи цей рубіж. Навесні з підвищенням температури цей шар випаровується і 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 відносить верхній шар сипучого матеріалу - світлий пил, оголюючи ділянки більш темних порід. У періоди, коли Марс проходить перигелій, нагрівання поверхні і атмосфери посилюється і порушується рівновага марсіанського середовища. Швидкість вітру посилюється до 69 км на годину, починаються вихори і бурі. Понад мільярд тонн пилу піднімається і утримується в підвішеному стані, при цьому різко змінюється кліматична обстановка на всьому марсіанському кулі. Тривалість пилових бур іноді досягає 50 - 100 діб.
Перший запуск в сторону Марса здійснений на початку листопада 1962р. КА «Марс 1» пройшов на відстані 197000 км від планети і передав дані про фізичні властивості космічного простору. З метою відпрацювання бортових систем і проведення наукових досліджень два роки по тому до Марса попрямувала станція «Зонд 2». Однак перші фотографії поверхні Марса були отримані КА «Марінер 4», запущеному одночасно з зондом і минулому на відстані 10000 км від його поверхні 15 липня 1965р. Виявилося, що Марс теж покритий кратерами. За даними штучного супутника Землі були уточнені маса Марса і склад його атмосфери. З пролітної траєкторії досліджувалася планета в 1969 році КА «Марінер 6, 7». Станції пройшли на відстані 3400 км від Марса, передали кілька десятків знімків з роздільною здатністю до 300 м., А також була виміряна температура південної полярної шапки, яка виявилася дуже низькою -125 ° С.
У наступне вікно запуску в травні 1971р. були запущені відразу кілька КА «Марс 2, 3» і «Марінер-9». КА «Марс 2, 3» вели дослідження з орбіт штучних супутників, передаючи дані про властивості атмосфери і поверхні Марса за характером випромінювання у видимому, інфрачервоному й ультрафіолетовому діапазонах спектру, а також в діапазоні радіохвиль. Була виміряна температура північної полярної шапки (нижче -110 ° С), визначені протяжність, склад, температура атмосфери, температура поверхні планети, отримані дані про висоту пилових хмар, слабкому магнітному полі, а також кольорові зображення Марса. СА «Марс 3» здійснив м'яку посадку на поверхню. Під час цих досліджень (в грудні 1971р.) Пилова буря підняла в атмосферу стільки пилу, що планета виглядала каламутним червонуватим диском. Під час пилових бур на Марсі виникає так званий «антипарниковий ефект», коли хмари пилу не пропускають сонячне випромінювання до поверхні, але пропускають йде від неї випромінювання і тому поверхня сильно охолоджується, а атмосфера розігрівається.
КА «Марінер-9» теж був переведений на орбіту штучного супутника Марса з періодом близько 12 годин. Коли сліди пилової бурі зникли в кінці січня 1972р. почалося фотографування поверхні, яке тривало десять місяців. На Землю були передані 7329 знімків Марса з дозволом до 100 м, а також фотографії його супутників Фобоса і Деймоса. На знімках марсіанської поверхні добре видно гігантські згаслі вулкани, безліч великих і дрібних каньйонів і долин, схожих на висохлі русла, кратери в загальному схожі на місячні і відрізняються від них своїми викидами, що свідчать про наявність підповерхневого льоду, слідами водної ерозії і вітрової активності. Уточнення складу атмосфери дозволило виявити роль полярних шапок, при таненні яких утворюються величезні маси вуглекислого газу і збільшується тиск над полярною шапкою, в результаті чого утворюються сильні вітри, що піднімають з поверхні дрібні частинки пухкого грунту.