來認識或許是下個地球的—火星(1)
火星大氣層
火星，太陽系第四顆行星，有個和地球非常不同的大氣層。自從發現少量甲烷以來，關於它組成的研究越來越受到關注，因為這可能是火星生命存在的跡象。不過這也可能是由地質化學作用、火山作用或熱液作用等無機方式所造成的。
火星大氣層相對較薄，地表氣壓低至奧林帕斯山頂的30帕、高至希臘平原低點的1155帕，而基準面的氣壓為600帕，相比之下地球的為1013百帕；火星大氣總質量為25兆噸，而地球為5148兆噸。然而它的大氣標高為11公里，比地球的7公里稍大。火星大氣含有95%的二氧化碳、3%的氮氣、1.6%的氬氣、些微的氧氣、水氣和甲烷，平均分子量為43.34。大氣中還充滿很多塵埃，使得從火星地表來看是黃褐色的。火星探測漫遊者的資料指出，這些懸浮微塵約1.5微米寬。
二氧化碳是火星大氣主要成分。冬天時，極區進入永夜，低溫使大氣中多達25%的二氧化碳在極冠沉澱成乾冰，到了夏季則再度昇華至大氣中。這個過程使得極區周圍的氣壓與大氣組成在一年之中變化很大。
和太陽系其他星球相比，火星大氣有著較高比例的氬氣。不像二氧化碳會沉澱，氬氣的總含量是固定的，但也因為二氧化碳會在不同時間進出大氣，氬氣在不同地點的相對含量會隨時間而改變。近期衛星資料指出，南極區在秋季時氬氣含量提高，到了春季則會降低。
火星大氣變化顯著。當夏季二氧化碳昇華回大氣時，它留下微量的水氣。季節性、時速接近400公里的風吹離極區，帶著大量的沙塵與水氣，其中水氣造就了霜與大片捲雲。這些水冰雲由機會號於2004年攝得。2008年七月31日，NASA鳳凰任務的科學家證實地下冰的發現。鳳凰號的更多分析將確認這些冰是否曾為液態，或包含生命必需的有機物。鳳凰號的熱電傳導性探針（Thermal and Electrical Conductivity Probe）顯示當地大氣中的水分在火星晚上時會消失，同時土壤的水分則會增加。
火星大氣中含量為十億分之一級（ppb）的微量甲烷，首次的發現來自2003年一支在NASA戈達德太空飛航中心的團隊。2004年三月，火星快車號和自地面觀測的加法夏望遠鏡也支持甲烷的存在，濃度約10 ppbv。甲烷的存在十分吸引人，因為這是不穩定的氣體，要存在必有某種來源。據估計，火星每年必須產生約270公噸的甲烷，但由小行星帶來的只佔0.8%。雖然地質活動也可提供，但火星近期缺乏火山活動，熱液活動、熱點等是甲烷來源的可能性就較低。微生物（如甲烷古菌）也可能是來源之一，但尚未證實。
甲烷的分佈不是全球性的，表示它在充分分佈均勻之前就已被破壞，不過這也指出它必不時的釋放至大氣。目前計劃於尋找可能的伴隨氣體，藉以推測來源的形式：在地球海洋中，生物產的甲烷常伴隨著乙烯，而火山作用產生的甲烷則伴隨著二氧化硫。
2005年，研究發現橄欖石與水、二氧化碳於高溫高壓下蛇紋岩化（serpentinization）後可產生甲烷，過程與生物無關。在地表下幾公里深即可滿足反應的溫壓條件，且計算如果要維持目前甲烷濃度幾十億年，所需的橄欖石量並不多，增加了甲烷無機來源的可能。而如果要證明正確，就得發現此反應的另一產物蛇紋岩。
歐洲太空總署發現甲烷的分佈不均勻，但卻和水氣的分佈相當一致。在上層大氣這兩種氣體分佈均勻，但在地表卻集中在三處：阿拉伯地、埃律西昂平原和阿卡迪亞平原。西南研究學院的行星科學家David H. Grinspoon認為甲烷與水氣分佈的一致性增加了生物來源的可能，不過生命如何在火星如此不友善的環境下生存仍然未知。如果要證明甲烷的分佈與生物有關，探測船或登陸艇需要攜帶質譜儀，分析火星上碳12與碳14的比例（即放射性碳定年法），便可辨別出是生物還是非生物源。2012年，火星科學實驗室將會測量二氧化碳與甲烷中的同位素。
火星大氣是一個可在任何登陸地利用、已知成分的資源，因此，有人建議載人火星任務可用大氣中二氧化碳為原料製造回程的燃料。這些研究包括羅伯·祖賓的直達火星和NASA的Design reference mission。兩個主要方法包括沙巴提爾反應：二氧化碳加氫氣產生甲烷與氧氣；和電解，以氧化鋯的固體氧化物電解質將二氧化碳分解為氧氣與一氧化碳。然而，如果人類將來要殖民火星，將需要足夠的溫室氣體以維持溫暖的氣候，所以在利用大氣的同時勢必得想辦法補充。
海盜號和探路者號登陸器的照片顯示火星的天空大致為黃褐色，而在晨昏時則帶點粉紅色。火星大氣一直充滿著塵埃，因此大氣中的懸浮微塵對天空顏色有很大的影響。這些塵埃含有褐鐵礦，而根據海盜1號著陸器所測得天空顏色所做的日光散射電腦模擬顯示，另外還有體積含量約1%的磁鐵礦。這些塵埃的大小可由小於可見光波長（0.4－0.7微米）至數十微米大。大的粒子傾向對不同波長均勻散射，使天空呈現白色，就像地球的雲一樣。不過塵埃粒子還會吸收藍光，使天空缺乏藍色而呈現黃褐色，也使肉眼所見的火星呈現紅色。假如火星大氣沒有塵埃，就會和地球一樣因大氣分子（在火星主要為二氧化碳）的雷利散射而呈現藍色天空，但因大氣稀薄很多，會呈現暗藍色，就像在地球高山所見的天空。
不過有些人相信火星天空實為藍白色，照片的黃褐色則是故意以電腦調整的。火星大氣由以下幾部分構成：1.低層大氣：由於氣懸微塵與地表的熱，這部份相對溫暖。2.中層大氣：火星的這層大氣有高速氣流。3.上層大氣，或熱氣層：來自太陽的加熱使此處溫度很高。此處的大氣分子不再像下層那樣分佈均勻。4.外氣層：200公里以上，大氣漸漸過度到太空，無明顯外層邊界。
由於火星氣壓低，當太陽甫照地表時，大氣便能快速增加動能，風速大，加上低重力，塵埃很容易被捲入空中。而就在南半球春夏季時，增溫快，易形成強烈的風，捲起的狂沙再加強增溫，風速更快，終於形成塵暴，從太空可看到一片褐色塵雲旋轉、移動。而這些區域性塵暴有些甚至發展成全球性塵暴，將整個星球籠罩在橘霧之下。例如水手9號剛到達火星的時候，火星就被全球性塵暴遮住而無法觀測；2007年7月到8月初，精神號與機會號就因沙塵暴的發生，太陽能板接收不到足夠的光線而暫停工作。
塵捲風常見於地球的乾燥沙漠，而在火星也一樣常見，只是尺寸更大：地球上的可寬數公尺、高數十公尺，火星的塵捲風則通常有數十公尺寬、數百公尺高，而最大可再大十倍，比地球的龍捲風還大，且風速可超過每秒30公尺。和地球的塵捲風一樣是光照加熱地表空氣而形成的，在春夏季白天中午的前後幾小時內很常見。塵捲風形成後可維持並遊走一段時間，經過之處因捲走上層沙塵露出底下不同色的沙而留下深色軌跡。火星全球勘測者等的衛星照片顯示各緯度皆有發現大片交織的塵捲風軌跡，古瑟夫撞擊坑中的精神號亦不時見到行進中的塵捲風。由於塵捲風可達數公里高，不斷捲起的塵埃可能是火星大氣充滿塵埃的重要原因。
另外，塵捲風內部的沙塵會摩擦起電而帶電。較大的沙與較小的塵碰撞摩擦時，塵傾向帶負電，然後沙、塵因重量差異分開至底部和頂部，產生電場。地球上的可測量到約20千伏/公尺，雖然比地球產生閃電的最小電場小約一百倍，但火星大氣稀薄，較易將氣體破壞，況且火星塵捲風更大，電場可能更強，因此電弧或閃電就可能在塵捲風內部產生。
火星的雲不像地球那麼多又較厚實，由於冷、乾、氣壓低，火星的雲通常不多且薄，有些是水冰構成，有些是乾冰構成，如果參雜沙塵則由白色變成黃色的黃雲，另外一些常見的雲，如塔爾西斯和埃律西昂的山雲、哈伯太空望遠鏡中常見的赤道雲、火星邊緣的藍色雲靄等。
火星生命Life on Mars是指有關火星的生命。火星生命經常出現在群眾娛樂中，如火星人。由於火星與地球相似，故有科學家估計火星上是否有生命已經有很長的時間，不過有沒有生命仍是個未解之謎。
火星地理
火星地理（Geography of Mars，或Areography）為火星的自然地理。
火星觀測起源於地面望遠鏡，且主要在火星位於相對於地球為衝、也就是火星衝的時候，約每兩年一次，因為此時火星距離地球最近，最易觀察。而距離更短則是在近日點衝，因火星位於近日點附近。
1877年9月（當年9月5日為火星近日點衝），義大利天文學家喬范尼·夏帕雷利首先出版了詳細的火星地圖，和月球一樣以暗區為海（Mare）等水體、亮區為陸地。其中包括著名的canali（channels，河道）（後來被認為只是錯視），他以著名河川命名這些長條暗線。之後被錯誤地翻譯為canals，也就是火星運河的起源。
火星暗區為水體或植被的想法，到了NASA1960年代水手號計畫中的水手4號探測火星才告結束。之後的海盜號、火星全球勘測者亦有長期觀測，而後者1996年發射、工作至2006年，更是繪製了詳盡的火星地圖。
火星全球勘測者於1999年所攝之火星可見光影像地圖，為圓柱投影（en:Equirectangular projection），中央為經度0°，緯度0°，上為北。顯示反照率特徵（Albedo Features），深藍色字為亮區，亮藍色字為暗區。不像月球的月海等暗區常表示低地，火星的明暗地區分佈與地形無關，原因是地表有較明亮、隨風遷移的沙子，沙子覆蓋之處即成亮區。但並非上圖的亮區皆為沙子，像是南北極的極冠，或是雲，如希臘平原的大片捲雲。
比較海盜號和火星全球勘測者的影像，會發現明暗特徵已有變化，總體來說暗區面積增加，而暗區吸收入射光的比例較亮區高，也就是反照率較低，故導致了氣候變化，如氣溫上升、風向改變等。
地形圖是依火星全球勘測者探測資料繪製，以麥卡托投影顯示南北緯約70.2°之間，中央為經度0°，緯度0°，上為北。麥卡托投影的好處是形狀不變，圓形的隕石坑到高緯仍是圓形，只是尺寸放大了。顏色代表高度，可由右上角的圖例得知。光線是由東北方斜照。
20世紀早期地面以無線電波測量火星地形。1976年海盜號進行的地形測量，發現了峽谷和南北半球的巨大差異，而衍生出北方平原本是海洋的假說，如1989年Parker等人提出兩條可能的海岸線。自1999年火星全球勘測者進行更精確的地形測量，並發現一些支持Parker海岸線的證據。
目前廣泛使用的全球地形圖（也就是前面的圖）是火星全球勘測者的火星衛星雷射測高儀（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）從1999到2001年累積六百多萬次的雷射測量並修正後所得。方法是已知衛星位置，以雷射來回時間計算地表至地心的距離，再減去基準面－－火星大地水準面即得地形高度。
火星大地水準面（Areoid，對應Geoid，地球的大地水準面）是一個接近平均海拔的重力等位面，是人為計算並選擇的，並非真實存在。重力等位面垂直重力場，相當於人感覺到的水平面與上下高低，故以重力作為測量地形高度的依據。又地球的大地水準面近似於傳統的基準面－－海平面，故作為地形高度的基準面。且雖然大體上是一個橢球面，但因各處的質量分佈不均導致有不規則起伏，如在塔爾西斯、烏托邦平原等處為突起。目前採用的是戈達德火星重力模型（Goddard Mars Gravity Model）。
除了大地水準面，還有以最接近的橢球面或水的三相點的氣壓：610帕為基準，測出來的地形高度亦互不相同，例如奧林帕斯山的高度值就有很多種，甚至達27公里。另外可用視差法測量地形，即以稍微不同的角度觀看同物體，來判別立體形狀。這早已應用於航照圖的地形判斷，現在一些探測器如火星勘察衛星、火星快車號和火星探測漫遊者，應用高解析度照片建立區域的高解析度地形模型，或製成立體照片，需帶上紅藍立體眼鏡觀看。
美國地質調查局（USGS）依經緯度將火星地表分為30個長方形區域（Quadrangle），緯度以0°、30°、65°分隔，經度則六或八等分，以傳統地名命名。而代號前的MC表示Mars Chart。下表顯示各區名稱，中央為經度0°，緯度0°，上為北。
火星赤道是以它的自轉確定，但火星的本初子午線是人為指定的，跟地球的一樣，選擇是隨意的，大家約定俗成。1830-32年，德國天文學家Wilhelm Beer和Johann Heinrich Mädler選擇一個小圓形特徵作參考點以製作火星的第一張系統地圖，1877年被義大利天文學家喬范尼·夏帕雷利採用作本初子午線。在1972年，水手9號測繪火星地貌後，沿著Beer和Mädler的線，蘭德公司的Merton Davis在他建立一個地理控點網路後提出火星精確的0.0°經線定義：是一個位於子午灣（Sinus Meridiani，或子午線高原（Meridiani Planum））的小隕石坑（稍後被稱為艾裏-0）。
火星坐標系統有兩種，一種採用地理緯度（planetographic latitude）與西經（西經0度至360度），另一種採用地心緯度（planetocentric latitude）與東經（東經0度至360度），兩者皆由國際天文學聯合會認可使用。早期的觀測是使用前者，2002年決定未來製圖時使用後者（不過2001年MOLA製作的地圖屬於後者）。
約翰·海因裏希·馮·梅德勒（Johann Heinrich von Mädler）和威廉·比爾（Wilhelm Beer）雖然因月球地圖而聞名，他們也是首先的火星製圖者。他們以大部分地表特徵是固定的為出發點，訂出火星自轉週期，在1840年的計算只比現在差了0.1秒。1830年，梅德勒結合了十年的觀察繪製了第一張火星地圖。他們並沒有為各特徵命名，而是以字母標示，如子午線灣（Sinus Meridiani）為 a。
往後大約二十年，隨著儀器進步和觀測者增加，很多名稱開始出現，如太陽湖（Solis Lacus）稱為眼（Oculus），大瑟提斯則為沙漏海（Hourglass Sea）或蠍子（Scorpion）。1858年，安吉洛·西奇命之為大西洋水道（Atlantic Canale）。他解釋：「它就好像地球的大西洋，分隔開舊大陸與新大陸。」而這是水道（canale）——義大利語可解釋為水道（channel）或運河（canal）——第一次使用在火星上。
1867年，理察·安東尼·普羅克特（Richard Anthony Proctor）不加修飾地取自威廉·魯特·道斯（William Rutter Dawes）於1865年所繪的地圖，繪了一張火星地圖。他以一些觀測者的名字來命名各特徵。以下列與喬范尼·夏帕雷利於1877至1886年所繪之地圖中所使用的相比較。夏帕雷利用的較為廣泛接受，至今仍使用。普羅克特的命名法常遭批評，因為他選的多是英國的天文學家，也因為一些名字不只使用一次。尤其Dawes就出現不只六次（Dawes Ocean，Dawes Continent，Dawes Sea，Dawes Strait，Dawes Isle，Dawes Forked Bay）。
即使如此，這個命名法也不是那麼令人厭惡，且這些缺點也由後來的天文學家所改進。現在，火星地名有多種來源。大的反照率特徵保留傳統名字，但常隨著真正性質的發現而更新，如Nix Olympica（奧林匹克之雪）變成Olympus Mons（奧林帕斯山）。
大隕石坑以重要的科學家和科幻作家命名；小隕石坑則以地球上的村鎮命名。
一些火星車所研究的地表特徵會加上暫時名稱或綽號，以利辨別標示。然而，一些特徵如以哥倫比亞號太空梭災難上七名太空人的名字命名的哥倫比亞山丘群，希望能得到國際天文學聯合會的永久使用。(續)
火星地形圖（來自NASA戈達德太空飛行中心），火星全球勘測者雷射測高儀繪製，由Maria Zuber和David Smith領導。上為北。
