Возросшая точность и разрешающая способность радиолокационных определений дальности позволили определить рельеф поверхности М. вдоль нескольких параллелей около экватора М. Оказалось, что диапазон высот на М. велик и составляет не меньше 13 км — такова разница высот двух светлых областей Тарсис и Амазония. Тёмная область Большой Сирт на 6 км выше Амазонии, то есть находится на среднем уровне. Аналогичные измерения выполнены с помощью инфракрасных спектрометров, которые были установлены на АМС «Маринер» (6, 7 и 9). Во время их полёта над различными областями М. спектрометр регистрировал интенсивность полосы поглощения углекислого газа (CO2) в атмосфере М. Поскольку интенсивность этой полосы тем больше, чем глубже лежит подстилающая атмосферу поверхность планеты, такие измерения позволили делать заключения также и о рельефе М. Оказалось, что наиболее низкой областью является Эллада — огромная круглая чашеобразная впадина диаметром около 1700 км, лежащая на 5,5 км ниже соседнего с ней Геллеспонта; пологий переход между ними осуществляется отдельными уступами. В таком же эксперименте, выполненном с Земли вдоль долгот от 240° до 160° (через 0°) в полосе от —20° до +40° ареографической широты, установлено наличие двух широких гребней, идущих под углом к меридиану с севера на юг и разделённых по долготе на 180°. Названное выше ущелье Копрат расположено в центральной части исполинского разлома, простирающегося по параллели более чем на 80° долготы, то есть свыше 4000 км длиной. На наиболее крупномасштабных фотографиях М. видны разнообразные формы марсианского ландшафта, обнаруживающие некоторое сходство с земными формами — моренными грядами, песчаными дюнами и даже термокарстом, образующимся при таянии вечной мерзлоты. Однако ничего похожего на прямолинейные каналы нет. Зато обнаружены сильно извилистые каналы с притоками, напоминающие русла бывших рек. Это — тоже недавние образования, поскольку на них незаметны признаки метеоритной или ветровой эрозии.

  Микрорельеф М. напоминает лунный: мелкозернистое строение поверхности М. проявляет себя специфическими поляризационными свойствами, а также эффектом оппозиции, заключающимся в том, что общий блеск М. быстро возрастает на 20—30 % при углах фазы меньше 6°. Возможное объяснение этого эффекта заключается в исчезновении теней при рассматривании поверхности приблизительно в том же направлении, откуда приходит освещение.

  Очень неровная поверхность находится вблизи южной полярной шапки М. Здесь наблюдаются многочисленные кратеры, которые по мере таяния шапки становятся более отчётливыми наряду с другими формами. Той же причиной объясняются и крайне неправильные очертания самой южной полярной шапки. В середине зимы она достигает максимальных размеров — простирается до широты —57°, с наступлением лета уменьшается. Однако дольше всего она сохраняется не на полюсе, а вокруг точки с координатами (330°, —84°), что связано, вероятно, с большей высотой этого места. Почти никогда не освобождаются от снега горы Митчела (275°, —73°). Судя по малочисленности малых кратеров в области южной полярной шапки и по сглаженности некоторых деталей, можно предположить, что эти области в сравнительно недавнем прошлом подвергались сглаживающему действию ледников. Здесь же обнаружены типичные для ледниковых форм U-oбразные долины. С середины 19 века лишь два раза наблюдалось полное исчезновение южной полярной шапки — в 1894 и 1911. Исчезновение северной полярной шапки не наблюдалось. Возможно, это объясняется тем, что лето в северном полушарии приходится на афелийные противостояния — когда приток тепла от Солнца наименьший и, кроме того, планету в эти периоды труднее всего наблюдать. Вследствие прецессии оси вращения М. такое положение периодически изменяется с периодом в несколько десятков тысячелетий и спустя 20—30 тысяч лет южное полушарие станет более холодным. То же самое, вероятно, случалось и в прошлом. Именно тогда могли образоваться наблюдаемые на М. ныне ледниковые формы.

  Атмосфера Марса. О наличии атмосферы у М. можно судить по наблюдаемому потемнению его диска к краю, медленному угасанию звёзд, покрываемых планетой, по потере чёткости деталей поверхности М. при их перемещении к краю его диска. Над лимбом замечается лёгкая дымка, а также высокие тонкие дисперсные облака и, наконец, пылевые бури, при которых перестают быть видимы большие области планеты, иногда на долгое время. Такова, например, была буря, на два месяца закрывшая почти все детали поверхности М. вскоре после великого противостояния 1971.

  Согласно результатам спектральных наблюдений, в состав атмосферы М. входят: углекислый газ (CO2) — от 50 почти до 100 %; следы водяного пара и окиси углерода (CO). Из теоретических соображений следует, что в атмосфере имеется азот (N2) — 0,5—5 % и аргон (Ar) в количествах, сравнимых с N2. На высотах более 1000 км атмосфера М. состоит преимущественно из атомарного водорода в крайней степени разрежения (около 104 атомов в см3). Кислород (O2) на М. спектроскопически не обнаружен; для него лишь установлен верхний предел: 0,3 % по отношению к CO2. М. имеет ионосферу, состоящую из нескольких слоев. Наибольшая плотность электронов ne = 1,5×104 см-3 в ней — на высоте около 130 км. Фотометрические наблюдения М. приводили к завышенным значениям мощности его атмосферы, поскольку рассеяние света аэрозольной составляющей атмосферы М. (примерно в 5 раз большее рассеяния газовой составляющей) при таких определениях ошибочно приписывалось также газу. Спектральные наблюдения молекулярных полос CO2 в инфракрасной области, а также ослабление радиосигналов с АМС «Маринер-4», «Маринер-6» и «Маринер-7» при захождении их за диск М. привели к значению полного давления на среднем уровне поверхности М. — 6,5 ± 2,0 мб, то есть в 160 раз меньшему, чем у поверхности Земли. К такому же результату привели и спектральные наблюдения, выполненные на АМС «Марс-3». В низколежащих областях М. (например, Амазонии) давление доходит до 12 мб, а в высоких падает до 1—2 мб.

  Количество водяного пара в атмосфере М. соответствует 10—60 мкм осажденной воды.

  Температура Марса. Измерения теплового потока, исходящего из М. в радиодиапазоне (1 мм — 21 см) длин волн, дают среднюю температуру поверхности планеты 220 ± 10 К — на среднем расстоянии от Солнца. В перигелии она на 10 % выше, а в афелии — на столько же ниже. Солнечная постоянная на М. составляет 59 мвт/см2. Инфракрасная радиометрия позволяет измерить температуру поверхности М. в разных точках: на экваторе тотчас после полудня она достигает 300 К и быстро падает до 220 К при заходе Солнца. За ночь она опускается ещё на 50 К, так что перед восходом Солнца она равна 174 К (—100 °С). На широте 45° — соответственно 282, 200 и 160 К. У полярных шапок температура достигает всего лишь 150 К (то есть около —125 °С). Тёмные области значительно теплее светлых.

  Атмосфера М. гораздо холоднее. Из радионаблюдений АМС «Маринер-6» при его заходе за диск М. вычислена температура атмосферы вблизи экватора; у её основания она оказалась равной 250 К, тогда как сама поверхность имела температуру 274 ± 5 К. температура ночной атмосферы в точке с широтой +36°, по измерениям с АМС «Маринер-7», составила 205 К, а ближе к полюсу, на широте +79°, 164 К. В это время в северном полушарии была осень. В нижней атмосфере на протяжении 20—25 км плотность и давление с высотой убывают примерно в 10 раз, в то время как температура падает с 210 К до 150 К. Далее температура падает медленнее и достигает минимума 110 К на высоте 50 км, после чего очень медленно возрастает до 300—350 К на высоте около 200 км и продолжает оставаться такой до высот свыше 1000 км. То обстоятельство, что температура поверхности М. значительно выше температуры прилежащего слоя, вызывает сильную конвекцию в дневное время в нижней атмосфере М. Горизонтальные движения в атмосфере М., судя по перемещению облаков, совершаются со скоростями до 10—15 м/сек. Теоретически можно допустить скорости до 30—40 м/сек, а если учитывать макрорельеф, то местные ветры могут достигать скоростей 100—120 м/сек. Естественно, что, несмотря на малую плотность атмосферы, она в состоянии поднимать как мелкие, так и крупные пылевые частицы и перемещать на расстояния до 6000 км частицы диаметром 5—10 мкм и на 50 км — диаметром 75 мкм.