Najbardziej prawdopodobna teoria dotycząca budowy czerwonej planety głosi, że składa się ona ze stałego jądra o promieniu ok. 1700 km, w skład którego wchodzą przede wszystkim nikiel i żelazo. Jest ono otoczone skalistym płaszczem. Powierzchnię planety stanowi natomiast dosyć cienka, bo tylko 30 kilometrowa, skorupa składająca się w 2/3 z krzemu, ale także żelaza i jego związków, takich jak tlenek żelaza i siarczek żelaza, dzięki którym planeta ma czerwony kolor.

Na Marsie nie występuje globalne (dipolowe) pole magnetyczne podobne do ziemskiego. Planeta posiada natomiast słabe pole magnetyczne o lokalnym charakterze. Obserwacje dokonane przez sondę Mars Global Surveyor wykazały, że w skorupie planety znajdują się na przemian położone pasma o przeciwnej biegunowości magnetycznej [1], o szerokości przeważnie ok. 160 km i długości ok. 1000 km. Podobne struktury można znaleźć na dnie ziemskich oceanów. Istnienie pasm jest dowodem występowania w przeszłości ruchów tektonicznych płyt, a to jest przesłanką świadczącą o tym, że w przeszłości na Marsie istniało dipolowe pole magnetyczne, generowane ruchem płynnego jądra. Obecnie brak globalnego pola magnetycznego wyklucza istnienie płynnego jądra we wnętrzu Marsa.

Jednym z odkryć pojazdu Opportunity jest obecność na Równinie Meridiani małych kulek hematytu o średnicy kilku milimetrów. Przypuszczalnie powstały one w środowisku wodnym kilka miliardów lat temu. Odkryto również inne minerały zawierające siarkę, żelazo i brom, takie jak jarosyt. Na podstawie tego i innych dowodów grupa 50 naukowców ogłosiła w Science z 9 grudnia 2004 r., że "kiedyś na powierzchni Równiny Meridiani sporadycznie była obecna woda, która docierała pod powierzchnię planety. Ponieważ obecność wody jest podstawowym warunkiem istnienia życia, można stąd wnioskować, że w pewnym okresie marsjańskiej historii Równina Meridiani mogła mieć warunki odpowiednie do życia." Po przeciwnej stronie planety pojazd Spirit znalazł inne dowody istnienia wody, w tym minerał getyt, który może powstać tylko w jej obecności. Na przełomie 2004 i 2005 roku europejska sonda kosmiczna Mars Express Orbiter badając obszary okołorównikowe stwierdziła w niektórych punktach atmosfery podwyższoną zawartość metanu pokrywającą się z miejscami o podwyższonej ilości pary wodnej. Posługując się danymi z amerykańskiego orbitera Mars Odyssey odkryto w tych rejonach pokłady wody pod powierzchnią gruntu. Następnych rewelacji dostarczyła po raz kolejny misja Mars Express, której zdjęcia regionu Elysium Planitia wykazały istnienie obszaru, do złudzenia przypominającego zamarznięte morze. Informacje te przekazano podczas zjazdu naukowców w European Space Research and Technology Centre (ESTEC) w Noordwijk w Holandii. Według wstępnych danych obszar ten jest bardzo młody w geologicznej skali czasu. Jego wiek wywnioskowany na podstawie małej ilości kraterów uderzeniowych szacuje się na 5 milionów lat. Głębokość tego, niepotwierdzonego jeszcze morza, określona została na około 45 metrów, a jego wielkość porównuje się do objętości Morza Północnego. Naukowcy przypuszczają, że powstało ono na skutek wypływu podziemnych wód, spowodowanego aktywnością wulkanów Albor Thollus i Elysium Mons. To co ochroniło wodę w zbiorniku przed wyparowaniem (w warunkach panujących na Marsie w okolicach równikowych, woda szybko sublimuje), to najprawdopodobniej pył, który pokrył grubą warstwą powierzchnię zamarzniętego morza.

W 1996 r. naukowcy zajmujący się meteorytem ALH84001, który jak się przypuszcza pochodzi z Marsa, odkryli struktury określone jako mikroskamieniałości pozostawione przez żyjące organizmy. Interpretacja ta wzbudziła jednak kontrowersje i dotąd nie ma zgodnej opinii uczonych na ten temat.

Topografia

Mars z widocznymi czapami polarnymi

Olympus Mons

Historia wyznaczenia południków na Marsie sięga 1830 roku, gdy niemieccy astronomowie Wilhelm Beer i Johann Mädler umownie umieścili południk 0 w miejscu niewielkiej, kolistej struktury powierzchni. Włoski astronom Giovanni Schiaparelli wykreślił to miejsce, nazwane później zatoką południka na swojej mapie Marsa z 1877 roku. Wraz z coraz dokładniejszymi obserwacjami planety wyznaczano coraz dokładniej południk zero. Najpierw umiejscowiono go w kraterze nazwanym Airy, na cześć Sir George'a Biddella Airy, budowniczego Królewskiego Obserwatorium w Greenwich w Anglii. Gdy w 1972 sonda Mariner 9 sfotografowała Marsa z rozdzielczością 1 km na piksel niezbędne stało się bardziej precyzyjne wyznaczenie tego punku. Obecnie znajduje się on w półkilometrowym kraterze Airy-0, znajdującym się obok krateru Airy. Długości areograficzne (z greckiego: Ares – Mars) na Marsie wzrastają od tego miejsca na wschód od 0 do 360 stopni, inaczej niż na Ziemi, gdzie długości wzrastają od południka zero na wschód i na zachód do 180 stopni.

Mars pobudza wyobraźnię ludzi wierzących w istnienie pozaziemskiego życia głównie ze względu na odkrycie Giovanniego Schiaparellego. Astronom ten dostrzegł w 1877 r. na powierzchni planety struktury, które nazwał canali, bez rozstrzygania czy są to twory naturalne, czy stworzone przez istoty rozumne (włoskie słowo może znaczyć zarówno te pierwsze, jak i te drugie). Za kanały pochodzenia zdecydowanie sztucznego uznał je amerykański astronom Percival Lowell, który w 1894 r. zbudował w Arizonie specjalne obserwatorium astronomiczne przeznaczone do badania kanałów na Marsie. Zauważył on okresowe zmiany jasności okolic domniemanych kanałów i stwierdził, że są one spowodowane wegetacją roślin. Doprowadziło to do powstania wielu historii na temat istniejącego na Marsie życia. Pierwsze eksperymenty sugerujące, że może zachodzić zjawisko złudzenia optycznego przeprowadzono w 1903 r., a w 1909 r. obserwacje zaprzeczające istnieniu kanałów przeprowadził we Francji w 1909 r. E. Antoniadi. Ostatecznych dowodów dostarczyła sonda Mariner 4 w 1965 r. Obecnie wiadomo, że zaobserwowane rzekome sztuczne kanały nie istnieją lub są pozostałościami po rzekach, płynących niegdyś po powierzchni planety. Natomiast zmiany jasności i kolorów, przypisywane wegetacji roślin, to nic innego jak burze piaskowe, które na Marsie potrafią trwać kilka tygodni, a nawet miesięcy.

Fobos i Deimos to niewielkie księżyce o nieregularnych kształtach, będące prawdopodobnie przechwyconymi przez Marsa planetoidami. Oba zostały odkryte w 1877 r. przez Asapha Halla. Ich nazwy pochodzą od imion synów greckiego boga wojny Aresa. Większy księżyc, Fobos, ma średnicę 22,2 km i obiega planetę w odległości 9387 km, natomiast mniejszy - Deimos - ma średnicę jedynie 12,6 km, a promień jego orbity jest równy 23,400 km. Księżyce te na skutek oddziaływań pływowych są zwrócone zawsze tą samą stroną do planety wokół której krążą (podobnie jak w przypadku Ziemi i Księżyca). Jednocześnie, ponieważ Fobos obiega Marsa szybciej niż planeta obraca się wokół własnej osi (wschodzi na zachodzie, a zachodzi na wschodzie), siły pływowe powodują stopniowe zacieśnianie się orbity tego księżyca. Po pewnym czasie zbliży się on na tyle do Marsa, że zostanie rozerwany przez jego pole grawitacyjne (patrz granica Roche'a). Z kolei Deimos, który znajduje się dużo dalej, systematycznie oddala się od powierzchni planety.

Fobos widziany z powierzchni Marsa ma średnicę kątową około 12', a Deimos około 2'. Dla porównania - Słońce widziane z Marsa ma średnicę 21

Zdjęcie zrobione podczas misji Viking 2

Mars jest najlepiej poznaną (poza Ziemią) planetą Układu Słonecznego. Do 1 lipca 2006 w jego kierunku wysłano 37 bezzałogowych ekspedycji badawczych, z czego większość była prowadzona przez Stany Zjednoczone i Związek Radziecki (później przez Rosję), ale również przez Japonię i kraje Unii Europejskiej. W skład misji wchodziły satelity okrążające czerwoną planetę, lądowniki, a także łaziki. Jednakże około 2/3 tych misji było nieudanych - część wystrzelonych statków kosmicznych nigdy nie nawiązało łączności z Ziemią, inne rozbiły się podczas lądowania, pozostałe z kolei przestały działać po krótkim czasie lub działały nieprawidłowo. Winę za niektóre niepowodzenia przypisuje się usterkom technicznym, jednak większość statków zawiodła bez wyraźnych przyczyn. Z tego powodu niektórzy naukowcy drogę między Marsem a Ziemią, jaką pokonują statki kosmiczne, nazywają "Trójkątem bermudzkim".

Sukcesy i porażki
Programy badawcze, które okazały się największym sukcesem to Mariner, Viking, Mars Global Surveyor, Mars Pathfinder oraz Mars Odyssey. Do głównych zadań należało dokładne poznanie budowy i składu atmosfery, zbadanie powierzchni pod kątem obecności wody, poznanie jej składu chemicznego, a także dokładne poznanie klimatu. Z kolei sztuczny satelita - Mars Global Surveyor wykonał szczegółowe zdjęcia całej planety oraz znalazł dowody na istnienie w przeszłości oceanów.

Do misji zapoczątkowanych w ostatnich latach, z którymi wiązano duże nadzieje, zalicza się Mars Express, Mars Polar Lander oraz Mars Observer, które niestety nie w pełni się powiodły. W skład pierwszej wchodził satelita Mars Express Orbiter oraz lądownik Beagle 2, który po opadnięciu na powierzchnię Marsa nie nawiązał połączenia z satelitą - prawdopodobnie rozbił się podczas lądowania. Mars Express Orbiter kontynuuje z sukcesem badania powierzchni za pomocą m.in. radaru podpowierzchniowego i kamery wysokiej rozdzielczości.

Tuż przed lądowaniem na biegunie południowym Mars Polar Lander miał odłączyć od siebie dwa lądowniki Amundsen i Scott, które po wbiciu w grunt na głębokość 1 m, powinny rozpocząć poszukiwanie wody. Niestety po wejściu sondy w atmosferę utracono z nią wszelki kontakt. Jedna z najbardziej znanych i zarazem najbardziej żenujących pomyłek w historii badań Marsa dotyczyła misji Mars Climate Orbiter, której to statek spalił się w atmosferze, na skutek błędnej interpretacji danych technicznych. Konstruktorzy silników manewrowych pojazdu podali siłę ich ciągu w funtach, natomiast ekipa odpowiedzialna za sterowanie lotem była przekonana, że dane są w niutonach.

Pierwszy sukces odnotowała sonda Mariner 4, która to 14 lipca 1965 roku przeleciała obok planety dostarczając zdjęcia jej powierzchni (w liczbie 21). Sonda Mariner należała do amerykańskiego programu badań Układu Słonecznego, którego celem były planety Merkury, Wenus, oraz Mars. Poprzednia misja Mariner 3 zakończyła się fiaskiem, gdyż od próbnika nie oderwała się osłona, co uniemożliwiło komunikację z Ziemią. Misje Mariner 1 oraz Mariner 2 dotyczyły badań Wenus. Mariner 6 (wystrzelony 24 lutego 1969) i 7 (wystrzelony 27 marca 1969) przeleciały w pobliżu Marsa wykonując szereg zdjęć (w sumie 198) dostarczyły obraz 20% powierzchni planety. Była to pierwsza, w całości udana, misja z serii bliźniaczych Marinerów. Mariner 8 planowany jako bliźniacza sonda, która wraz z Mariner 9 miała badać z orbity powierzchnię planety, została stracona na skutek awarii rakiety nośnej Atlas. Misja Mariner 9 (wystrzelony 30 maja 1971) zakończyła się powodzeniem, a pojazd stał się pierwszym sztucznym satelitą Marsa (14 listopada 1971). Po początkowym rozczarowaniu, związanym z szalejącymi burzami piaskowymi o globalnym zasięgu, uniemożliwiającymi wykonanie zdjęć, po 349 dniach oczekiwania, sonda rozpoczęła przekazywanie zdjęć na Ziemię. Docelowo sfotografowała ponad 80% globu w ilości 7000 zdjęć. Misja Mariner 9 stała się punktem wyjścia dla programu Viking.

Łazik marsjański Spirit

Ostatnim dużym sukcesem stała się podwójna misja Mars Exploration Rovers. Jej elementami są dwa małe, bliźniaczo podobne łaziki Spirit (MER-A) i Opportunity (MER-B). Wylądowały bezpiecznie (Spirit 4 stycznia 2004 w Kraterze Gusev; Opportunity 25 stycznia 2004 na Meridiani Planum) po przeciwnych stronach planety. Dostarczają wielu cennych informacji o Marsie z zakresu geologii, spełniły też wszystkie podstawowe cele ich misji (przede wszystkim zebrały dowody na obecność wody na powierzchni Marsa w odległej przeszłości), a ich misja trwa znacznie dłużej niż pierwotnie przewidywano. Obu łazikom udało się przetrwać marsjańską zimę oraz przerwę w komunikacji z Ziemią, spowodowaną znalezieniem się Marsa i Ziemi po przeciwnych stronach Słońca. 6 stycznia 2005 roku Opportunity odkrył na Marsie żelazny meteoryt. Jest to pierwszy meteoryt znaleziony na innej planecie. Odkrycia dokonano w 339 dniu misji pojazdu. Na dzień dzisiejszy (27 września 2006) wciąż działają i badają grunt i atmosferę Marsa, chociaż Spirit ma ograniczoną zdolność manewrowania z powodu unieruchomienia jednego z kół. Łaziki przejechały łącznie ponad 16 km.

Łaziki MER komunikują się z Ziemią za pośrednictwem dwóch sond NASA, 2001 Mars Odyssey i Mars Global Surveyor, a eksperymentalnie także z sondą agencji ESA, Mars Express Orbiter.
 

Pierwsze zdjęcie przesłane przez sondę Mars Reconnaissance Orbiter
 

12 sierpnia 2005 została wystrzelona sonda Mars Reconnaissance Orbiter. 10 marca 2006 sonda weszła na orbitę i rozpocznie badania w listopadzie tego roku. Zadaniem tego najbardziej zaawansowanego, z dotychczas wysłanych, próbników jest dokładne zbadanie powierzchni planety co umożliwi wytypowanie najlepszych miejsc do lądowania człowieka i przyszłych misji bezzałogowych (w tym dla Mars Science Laboratory).