Имеющиеся на поверхности М. постоянные детали (светлые и тёмные пятна) позволяют легко наблюдать вращение М. около своей оси. Период осевого вращения М. (его звёздные сутки) составляет 24 ч 37 мин 22,7 сек в земных единицах времени (солнечного). Направление северного конца оси вращения М. имеет координаты (1950,0): прямое восхождение (a = 317,32°, склонение d = +52,68° (созвездие Лебедя, вблизи границы с созвездием Цефея). Соответствующая этому плоскость экватора М. оказывается наклоненной к плоскости орбиты М. на 25,2°, то есть почти так же, как плоскость земного экватора наклонена к плоскости орбиты Земли (эклиптики). По этой причине на М. происходит смена времён года и разделение на климатические пояса (полярный, умеренный, тропический), как и на Земле. Однако продолжительность каждого времени года на М. в 1,9 раза больше, чем на Земле.
Полученные из наблюдений значения периода обращения, массы, линейного диаметра и динамического сжатия М. позволяют моделировать внутреннее строение планеты. Возможно, что М. имеет небольшое железное ядро с плотностью около 9,5 г/см3, в котором сосредоточено от 1 до 8 % массы планеты, а радиус ядра составляет от 15 до 33 % радиуса М.
Исторический очерк изучения Марса. Как планета М. известен человечеству с древнейших времён. Во время великих противостояний М. выглядит самой яркой на полуночном небе звездой (—2,7 звёздной величины), оранжево-красного цвета, вследствие чего его стали считать атрибутом бога войны (в древнегреческой мифологии Ареса, в древнеримской — Марса). По наблюдениям М., выполненным Т. Браге и И. Кеплером, уже в начале 17 века были установлены законы движения планет в Солнечной системе. Физические свойства М. начали изучаться лишь в середине 17 века, когда появились телескопы, достаточно сильные, чтобы увидеть на М. отдельные детали, в том числе полярные шапки (Х. Гюйгенс видел их в 1656, но распознаны они были позже) и тёмные «моря» на светлом фоне «суши»; наблюдения этих деталей позволили сделать первую оценку периода вращения М. (24 час 40 мин — Дж. Кассини, 1666).
Интенсивные исследования М. начались в середине 19 века, особенно после великого противостояния М. в 1877, когда Дж. Скиапарелли, наблюдая М., обнаружил большое число новых деталей на поверхности планеты, в частности множество тёмных прямолинейных образований, условно названных им «каналами». Мнения о природе «каналов» разделились. Многие учёные сомневались в реальности каналов, считая их психофизиологической иллюзией, возникающей при рассматривании предельно мелких деталей на диске планеты. Однако в конце 19 и начале 20 веков П. Ловелл приписал «каналам» Скиапарелли буквальный смысл и на этом основании, а также в результате оценки физических условий на планете высказал и настойчиво пропагандировал идею населённости М. разумными существами. Последующее изучение М. астрофизическими методами, в котором выдающаяся роль принадлежала советским учёным Г. А. Тихову, Н. П. Барабашову, В. Г. Фесенкову, В. В. Шаронову, привело к более правильному пониманию физических условий на М. Фотографирование М. не подтвердило существования на нём каналов. Новый и очень плодотворный этап в изучении М. наступил с началом космической эры и запуском к М. космических зондов — автоматических межпланетных станций (АМС): американских серии «Маринер» — «Маринер-4» (1964), «Маринер-6», «Маринер-7» (1969) и «Маринер-9» (1971), и советских серии «Марс» — «Марс-2» и «Марс-3» (1971). С помощью этих космических зондов (последние три из них стали искусственными спутниками Марса) было произведено изучение планеты с близкого расстояния, так что элементами исследования стали детали не в 60—100 км, как раньше, а значительно меньше 1 км; спускаемая часть советской АМС «Марс-3» впервые совершила мягкую посадку на планету.
Поверхность Марса. На поверхности М. различают тёмные (серые с голубоватым или бурым оттенком) пятна на фоне обширных красно-оранжевых областей. Чисто условно первые названы морями, а вторые — сушей (или материками). Фотометрические наблюдения М. при разных фазовых углах приводят к значению сферического альбедо в видимых лучах 0,16, а в инфракрасных — 0,26, что выражает факт значительного падения отражательной способности поверхности планеты с уменьшением длины волны. Такими же свойствами обладает красноватый грунт земных пустынь. Законы отражения, а также поляризация отражённого света суши М. и порошкообразного лимонита (минерала с химическим составом Fe2O3 + n H2O) имеют много общего. Моря обладают пониженным по сравнению с сушей альбедо, особенно в длинноволновой области спектра, так что их цвет представляется зеленовато-синим. Но контраст между морями и сушей убывает почти до нуля с уменьшением длины волны в ближайшей ультрафиолетовой области спектра, что в значительной степени вызвано рассеянием света в атмосфере М.
Наиболее заметными деталями на диске М. являются полярные шапки — северная и южная. Это белые пятна, размеры которых меняются в течение марсианского года, увеличиваясь в холодный сезон и уменьшаясь (почти исчезая) в тёплый. В то же время тёмные моря М. в основном сохраняют очертания, испытывая лишь небольшие и непродолжительные изменения — как сезонные, так и от противостояния к противостоянию. Это делает возможным составление карт поверхности М. с точностью нанесения деталей до 1—2°. Такие карты составляются на основе зарисовок и фотографий М., собираемых в международных центрах.
Наименования светлых и тёмных областей на М. в основном были предложены Скиапарелли и французским астрономом Э. Антониади, которые широко использовали для этого географические понятия древности и образы мифологии, а частично и некоторые современные термины. Так, нулевой меридиан в системе координат на М. — ареографической системе координат (см. карту), проходит через залив Меридиана; к нему примыкает идущий вдоль параллели залив Шеба (Шеба — старинное название Аравии); ниже находится светлая страна Девкалиона (Девкалион в мифологии — сын Прометея, супруг Пирры, которая также имеет на М. свою область — страну Пирры). Вблизи Северного полюса М. находится Утопия; самая заметная тёмная деталь на М. — Большой Сирт (назван по аналогии с заливом у берегов Ливии). Под ним, далеко к югу, находится круглая светлая область Эллада и Авзония (поэтическое название Италии). Ещё дальше к востоку находится тёмное Киммерийское море (древнее название Чёрного моря) и т. п.
Пролёт около М. американских АМС серии «Маринер», фотографировавших его с далёких и очень близких расстояний, необычайно обогатил представления о морфологии М. На нём были открыты многочисленные кольцевые горы, или кратеры, подобные лунным. Кратеры оказались господствующей формой ландшафта на М., причём их количество не зависит ни от расстояния от экватора М., ни от высоты над средним уровнем; встречаются они и на суше и на морях. Обнаружены два типа кратеров: чашеобразные малые (10—15 км в диаметре) и большие (>15 до нескольких сотен км) с плоским дном. Последние выглядят более разрушенными, чем малые (или лунные при тех же размерах).
На небольшой части ландшафта М., обследованной к 1972 с близкого расстояния, выявлены три типа ландшафта: области, покрытые кратерами; области, лишённые кратеров (такова Эллада); хаотические области (например, страна Пирры), где кратеры немногочисленны, а поверхность покрыта формами, говорящими о сдвигах, провалах, то есть о тектонических движениях. Встречаются обширные плато, сильно возвышающиеся над средним уровнем планеты, но лишённые каких-либо крупных и резких неровностей (в частности, горных хребтов). Грандиозное ущелье Копрат глубиной свыше 5 км имеет длину около 500 км и ширину около 120 км (см. рис. 2). Ответвляющиеся от него «овраги», по-видимому, являются результатом ветровой и водяной эрозии. Область Олимпийские снега представляет собой обширный круговой вулканический район, внешнее кольцо которого (диаметром около 500 км) возвышается на 6 км над окружающей местностью. М. геологически активен, на нём наблюдаются признаки недавней вулканической деятельности и движений коры, а также ледниковой и ветровой эрозии. Исследования М. с близкого расстояния ещё слишком непродолжительны, чтобы обнаружить вулканическую деятельность. Но около тех кратеров (кальдеров), вулканическое происхождение которых достоверно, видно очень мало кратеров метеоритного происхождения, что служит подтверждением недавнего рождения вулканов.