紅色的火星表面見證了46億年的行星歷史，壯偉的高山俾倪地球上任何絕峰；摧毀性的火星地震撕開了一條條既深且闊大峽谷；四面八方永不止息的隕石轟炸火星表面，創造出一個個巨大環坑，這些火星疤痕可能有一段時間積水成湖，地球上湖泊相比之下只能稱為小池塘，已乾涸的河床和可能早已消失的海洋說明火星有一個較溫暖和潮濕的過去。軌道探測船在上仔細審視了這個星球，登陸艇在下取得了土壤樣本，小行星撞擊火星可能將火星岩石彈射至太空中，之後它們又撞上地球成為隕石。由保留在火星表面、地下、及隕石中的種種線索，科學家們希望能拼揍出一個火星故事，但是真正能確定火星上有湖、河和孕育生命的化石證據仍有待發現。
°•. 火星的三個時期
要解釋火星歷史交響樂，一個由岩漿海、火山爆發、小行星撞擊、可怕的大洪水、籠罩全球的沙塵暴等等組成的最不協調的曲譜，科學家們必須細說從頭。有一句很哲學的話：「時間，是自然界的方式，讓所有事情不要一次發生！」時間可以將一個弦音變成悅耳旋律。它可以將所有事件交織在一起，放在火星表面上成為一個故事，一系列的原因與結果。這個故事講述著一個大道理，一個很好的行星如何變壞，給它欣欣向榮的近鄰一個當頭警示。探索火星，或許可以幫忙拯救地球。
在許多方式中，以時間來研究火星比用時間研究地球容易多了。因為地球早把它的出生證明撕成雪花片片了。地球各種活動：大陸板塊漂移、火山爆發、彎曲的河川、降雨等，一方面支持生命存在，另一方面卻將地球的過去一筆勾銷。當兩個大陸板塊互相推擠摩擦時，造成了火山爆發，釋出了二氧化碳。二氧化碳是溫室效應氣體的一種，可以溫暖這個世界，因此支持生命。但是大陸板塊漂移也消去了海床，所以地質學家甚至不知道大陸板塊在十億多年前的位置。火山灰覆蓋了老的地形，但下雨、下雪、刮風又將它們吞噬。因此，地球上找不到幾塊可稱為高壽的岩石。雖然地球有46億年的歷史，但是目前所知最早的岩石樣本只有40億年，位於加拿大的西北部；而目前所知最早的化石只有35億年，位於西澳大利亞。而科學家現在已有火星石頭比那兩塊還要老。
主要的原因就是火星「駐顏有術」，它沒有大陸板塊漂移，它的火山偶然噴發，從來不下雨，再加上空氣十分稀薄。因此，火星表面許多地方依然記載著那個遠古的年代，當時地球上的生命正在為生存而掙扎，或許當時火星也是如此。雖然現在地球上的生命結實累累，但是它已死寂的紅色近鄰或許更適合講述最早的生命是如何出現的。
兩個世界都一樣，時間會自我吐露，只要觀察土壞及石頭的層次就可以知道形成的年代。科羅拉多河切割出亞歷桑納州的大峽谷，層次分明顯示幾億年的歷史，最年輕的在最上層，最古老的在底部。地理學家研究地層學，將每一層，也就是每一個年代命名，例如：第三紀、白堊紀和侏儸紀，來敘述地球的過去。
同樣地，地層學可以套用於火星歷史。如果一座火山噴出的熔岩覆蓋了一個環坑，熔岩流一定比環坑年輕；如果接著有一條河川切開了熔岩，它形成的河床一定比熔岩及環坑都要年輕。人們在亂糟糟的書桌前也是運用地層學的方法，要找到最近的文件，一定從上面開始翻起，如果要找一、兩年前的文件，一定往最底下去找。另外一個訂定火星地層年齡的方法是研究處處可見的環坑，愈古老的火星表面表示被愈多的隕石轟炸過，環坑的數目會愈多。就像是飛鏢盤一樣，使用愈久的飛鏢盤，上面的小洞就愈多。
使用這些方法，科學家將火星分為三個時期，為了使用上的方便，依英文字母順序由最年輕排到最老，分別是亞馬遜紀、赫斯珀利亞紀和諾亞紀。最年輕的亞馬遜紀包含最近的火星活動，其由來是火星北半球一處命名為亞馬遜低原的平坦區域。大約26%的火星表面屬於亞馬遜紀，包括北半球一大塊區域及南北兩極的冰冠。其次年輕的是赫斯珀利亞紀，其由來是火星南半球一處被命名為赫斯珀利亞高原的區域，該處的環坑數量中等。大約34%的火星表面屬於赫斯珀利亞紀。火星上最老的是諾亞紀，其特色是表面被轟炸的體無完膚，尤其是火星南半球高地。諾亞紀約佔40%的火星表面，其由來是南半球高緯度一處充滿環坑的區域，諾亞是舊約聖經中的先知，在大洪水發生前建造了方舟。用諾亞來命名是再恰當不過的，諾亞紀的火星上有河川，可能有湖，可能還有大海，而且諾亞又有「古老」和「古董」的意思。科學家接著將每個紀作更細的劃分，亞馬遜紀分為三世：早亞馬遜世、中亞馬遜世和晚亞馬遜世，赫斯珀利亞紀分為二世：早赫斯珀利亞世和晚赫斯珀利亞世，諾亞紀分為三世：早諾亞世、中諾亞世和晚諾亞世。
到底火星的每個紀，每個世有多長呢？很不幸，現在沒有人知道。在地球上，地質學家可以利用岩石裏的放射性同位素衰變形成的子孫元素來判定地層年齡。愈老的岩石，含有愈少的放射性同位素，但累積了愈多的子孫元素。依照前者和後者的比例，加上對放射性同位素半衰期的瞭解，可以推算出岩石年齡。用這個方法，地質學家知道地球的白堊紀約在6500萬年前結束，然後第三紀開始，同一時間天外飛來橫禍，一個小行星撞上地球，造成恐龍大滅絕。
但是，目前為止還沒有太空船去火星上測定火星岩石的年齡，也沒有太空船由火星返回並帶回火星岩石標本供做分析。當然，科學家已經定出地球上的火星隕石年齡，但是卻不知道這些岩石從火星那個地方來，是亞馬遜區呢？赫斯珀利亞區呢？還是諾亞區？因此即使有了火星隕石的年齡也無法給我們所需要的答案。
替代方案還是有，利用月球年齡來推估。月球有有兩種主要地形，一種是平坦的，深色的月球海，例如寧靜海，另一種是明亮的、佈滿環坑的高地。判斷由阿波羅太空人帶回來的月球岩石之年齡，科學家瞭解到月球剛形成的8億年間，月球遭到無數小行星和慧星毫不留情的轟炸，當時的地球應也無法倖免，因此月球的高地上充滿了大大小小的環坑。之後，大規模的轟炸停止了，熔岩流淹沒了地勢低下的月球海，抹平了環坑，所以現在月球海只見到少許疤痕。
同樣的大轟炸應該發生在整個太陽系，所以火星在38億到46億年前，應該也受到無數的撞擊，然後撞擊數目陡然下降，直到今天。科學家可以應用月球的數據來判定火星表面的年齡，但是有幾個問題要事先解決。首先，火星每年每單位區域可能比月球受到更多的打擊，因為火星距離小行星帶比較近。所以同樣的環坑密度，火星表面的年齡可能比月球年輕。現在的估計是火星每年每單位面積受到的打擊是月球的兩倍，而且受到小行星的撞擊次數多過受到彗星的撞擊。第二，火星大氣層比月球厚多了，古時候的火星大氣層可能更厚、更濃，許多可能在月球上造成環坑的隕石可能在火星大氣層中汽化了，即使撞到了疤痕也比較小，然後還會被風化侵蝕。最後，火星沙塵暴可能掩蓋了許多小環坑。
由於種種不確定因素，環坑率不能訂出火星的三個時期的確實年齡。在2001年，一群科學家整理了過去一大堆研究報告，希望能縮小「不一致」的範圍，藉由環坑率分析，他們推定亞馬遜紀大約自31億年前開始，意思是亞馬遜紀約涵蓋火星最近的三分之二歲月，晚亞馬遜世約在3~6百萬年前開始。赫斯珀利亞紀大約橫跨31億年至36億年前，是最短的火星紀元。諾亞紀則是由36億年至46億年前，那時太陽系正開始形成，所以諾亞紀包括了大轟炸時期和之後一小段時間。
°•. 火星的誕生
如同它的行星兄弟和姊妹們一樣，火星開始於一個混合氣體和塵土的圓盤，這個圓盤環繞著剛誕生的太陽。愈靠近太陽，圓盤的轉速愈快，互相摩擦而升高溫度，只有高熔點的堅強物質，例如鐵、矽酸鹽才能聚在一起形成固體粒子。這些固體粒子聚在一起形成類似小行星的物體，稱為行星原質，它們再撞到一起形成了水星、金星、地球、火星。因此，這四個內行星的組成物質大部份是鐵和矽酸鹽岩石。
愈遠離太陽的地方，在小行帶的外面，那個混合氣體和塵土的圓盤轉得愈慢，所以溫度低，冰可以凝結。由於到處是冰晶，外圓盤又大，所以外行星：木星、土星、天王星、海王星都長成了大巨人。誠然如此，木星和土星的重力，大量吸引了圓盤中最常見的兩種氣體：氫及氦，所以這兩個行星可以形成巨大的氣體行星。但對於內行星來說，它們的重力大小了，不能保留這兩種輕元素。
圓盤中的殘羹剩餚就形成了小行星、彗星，和在遙遠地方流浪的冥王星。最初的八百萬年裏，就是大轟炸時期，小行星和彗星不止歇地撞向各個行星。然後，不知道什麼原因，大轟炸停止了。或許是太陽和它的行星們終於把行星之間大部份的浮質都掃乾淨了，或許是某種災難性的巨變把行星之間的浮質都甩出了太陽系。
作為太陽系中最大的兩個行星，木星和土星也幫了不少忙，終止了這猛烈攻擊。這兩個氣體行星質量超過其它所有行星總和的十二倍，它們的重力將幾千億個彗星丟出了太陽系。科學家推論，如果木星和土星沒有形成，那我們現在也不會存在。因為這兩個巨大的氣體行星甩掉了無數的彗星，只有極少數的致命星體會正中地球。估計每1億年才會有發生一次滅絕性的撞擊，讓優等的生命形式有時間演化，而最近的一次發生在6千5百萬年前。巨大的彗星，像是哈雷彗星、池谷關彗星、海爾鮑普彗星等等，要幾十年才迴歸地球一次。如果沒有木星和土星，災難性的撞擊每隔十萬年就會發生一次，優等生命的演化必定大受影響。如果生命克服萬難蓬勃興盛，那麼觀星族一定最高興了，他們每年可以看到百餘顆大彗星。
雖然木星的誕生有助於地球，但對火星卻是個壞消息。在1755年，普魯士的學者肯特就瞭解到木星巨大的重力攪動到將要形成火星的行星原質，影響了行星的成長。肯特寫道：「可能是它旁邊巨大的木星，施展了吸星大法，把火星成長所需要的物質搶走了。」如果沒有木星，火星應可茁壯長大，大到與地球差不多的質量；不過因木星的干擾，將火星切成一小粒，比地球的質量少了89.3%。火星現在所有的問題：寒冷的溫度、稀薄的大氣、缺少火山活動機制和大陸板塊漂移都來自於它的瘦小。如果沒有木星，火星可能繁衍興盛成第二個地球。其實木星對火星還算好，木星和火星中間的小行星帶是怎麼來的？慘遭木星對付而么折的行星殘骸。
在1980年代之前，科學家提出一個現在認為錯誤的理論，他們認為火星誕生時是冷的，然後火星內部的放射線元素逐漸衰變並放出熱量，緩慢地將火星的內部加熱至部份融熔狀態。這個時間約是火星誕生之後10億年，然後鐵元素穿過較輕的矽酸鹽下沈，集結成為火星的鐵核心，剛形成的鐵核心因不斷擠壓而繼續放出熱量。
在1980年代發現來自火星的隕石改變了上述理論，火星誕生時是熱的，來源是行星原質撞到一團而形成火星時所產生的熱量，有可能造成當時年輕的火星一片岩漿海。其結果是，幾乎是火星誕生的同時，鐵元素就鑽過矽酸鹽岩石形成了火星核心，為這個年輕行星提供了更多的熱量。
值得注意的是，由來自火星的隕石來推斷火星鐵核形成的時間應在紅色行星剛誕生的1千3百萬年內，不到火星現在年齡的百分之一。在2002年，由克雷恩所領導的一組德國科學家在研究重金屬鉿元素和鎢元素後作了一個推論。鉿元素和鎢元素的原子序分別為72和74，它們都很硬，十分類似鐵元素，有著很高的熔點，但是對鐵元素有不同的親合力。鉿不喜歡鐵，所以當鐵核心形成時，鉿被留在後面，存在於矽酸鹽的地函和地殼中。鎢是一種愛鐵元素，會隨著鐵一同鑽過地函和地殼。
這些來自火星的隕石是來自於火星的地殼，所以鉿元素含量多於鎢元素。而且它們還含有不尋常含量的鎢同位素，鎢–182，它可以由放射性的鉿–182衰變而成。鉿–182衰變成鎢–182的半衰期僅9百萬年，因此如果火星的鐵核心是緩慢形成的，隨便挑個數字，花了10億年的時間，那麼在火星地殼中幾乎所有的鉿–182都會轉成鎢–182，然後嫁鐵隨鐵，最後一同沈入火星核心。因為火星的核心實際形成速度很快，許多未來的鎢元素當時還只是鉿元素的，被留在火星地殼裏，日後才衰變成為鎢–182，造成在來自火星的隕石中有不尋常高含量鎢–182。由此可見，火星核心在早諾亞世的早期年代即已形成。
°•. 全球性質
太陽系的內行星：水星、金星、地球、火星，都有一個鐵核心，中間是地函，最外面的是矽酸鹽岩石形成的地殼。但是，每個行星都有不同的鐵核心與岩石的比例。水星有一個很大的鐵核心，火星卻只有很小一個。行星組合成份的第一個線索就是它的密度：質量除以體積。就如同你在打開生日禮物的包裝前，會用手掂一掂它的分量，猜猜裏面是什麼，如果很重，你會猜是一本精裝書，或是一個大磚頭，如果很輕，你會猜是一套衣服或是樂透彩券兩張。
要計算火星的密度，科學家首先要測量火星的質量和火星的直徑。天文學家自從發現火星的衛星並記錄衛星軌道後，由克卜勒定律就已計算出火星的質量。之後，利用航向火星的太空船的軌線，天文學家得到更精確的火星質量數據。火星只有地球質量的10.7%。到底有多小，如果火星另外有一個衛星，其與火星的距離和地球與月球的距離相同，那顆衛星環繞火星的速度會慢到三個月才繞行一圈。
火星的直徑可以用望遠鏡及太空船來觀測。在1999年，依火星全球測量者之雷射測高儀的觀測結果，火星赤道的直徑為6792.4公里或4220.6英哩，比之前的數據少了將近1英哩。火星的直徑大約是地球直徑的二分之一，約為月球直徑的兩倍。地球的大小在太陽系的行星中排行第五，有四個行星比它大，另外四個比它小。火星在太陽系中排行第七。
將火星的質量除以它的體積，計算出火星的平均密度約為水的密度3.94倍。地球密度比較高，是水的密度5.52倍。月球密度比較低，是水的密度3.34倍。鐵的密度是岩石密度的兩倍，所以三者之中，地球的含鐵量最高，火星其次，月球的含鐵量最少。
若人們在火星上行走，可能要考慮走慢一點。1998年，科學家在飛機上模擬火星的重力環境，計算若每一英哩消耗最少能量的最佳步行速度為每小時2.1英哩。地球上最佳步行速度較火星大了60%，為每小時3.4英哩。不過在火星上雖然走得慢一點，因為它較低的重力環境，步行每一英哩所消耗的能量為地球上的一半。
火星人的每一天與地球人的每一天十分類似，因為紅色行星的自轉周期為24小時又37分鐘。不過，這個周期並不是火星真正的火星一天，因為火星自轉一周的同時，它也在環繞太陽的軌道上前進了一小段距離。由於這個動作，在火星完成自轉一圈之後，太陽並不會出現在天空中完全一樣的位置。火星要再多轉一點點，太陽才會趕上來。因此，火星上連續兩個正午時分的時距要比其自轉周期長一點點，約為24小時又40分鐘。同樣的道理，地球自轉一周的時間為23小時56分，可是我們的時鐘每天有24小時，也是因為地球在繞日軌道上移動了一小段距離。前者稱為恆星日，表示在其它恆星的位置，即很遙遠的地方所觀察到的周期。後者是地球人或火星人真正感受到的一天，稱為太陽日。
雖然，兩個行星的自轉周期幾乎相同，這只是一時的現象。地球剛誕生時轉得較現在快得多，但幾十億年來，受到月球重力的影響而愈來愈慢。月球會繼續減慢地球的自轉速度，有一天，地球上的一日會是火星上的一日的兩倍。相反的是，火星的兩個月亮太小了，它們的重力影響實在是微不足道，所以紅色行星現在的自轉速度必定很接近當年大轟炸時期的自轉速度。
地球自轉時，其北極指向北極星，現在是小北斗的斗柄最後一顆星，亮度為二等星，距離地球的天球北極不到一度，雖不中亦不遠矣！火星人沒有那麼幸運，它的天球北極附近最亮的恆星為天津四，為天鵝座的主星，但距離達9度之多。因此，火星現在沒有合適的北極星。不過，相較於地球，它卻有一個合適的南極星，船帆座的第十一亮星。它離火星的天球南極不到3度，亮度為2.6等。
火星人在天空中可以比地球人看到一個更亮的星體，那就是地球。有點類以在地球上看金星一樣，一顆美麗的晨星出現在東方天空，或是美麗的暮星出現在西方天空，而且還有它的忠實伴侶：月球。哇！晨雙星或是暮雙星。在最佳的時刻，火星的夜空中，地球的亮度有如從地球上看金星的亮度，爬昇的最大仰角也幾乎一樣高。
°•. 由內到外
火星和地球一樣，有一個地核，一層地函和一層地殼。地球的核心幾乎都是鐵，其它主要成份包括氧、鎳、硫。硫在火星地核中佔極重要的一個角色，因為它讓火星地核呈液體狀態。相較於地球，火星地核中含有更多的硫，因為硫的熔點頗低，火星距離太陽比較遠，硫有更高的機會凝結於行星原質，最後成為火星的組成成份之一。
很不幸的是，要研究火星的地核十分困難。在地球上可以利用地震儀探測地球內部，可是海盜一號登陸艇上的地震儀壞了，海盜二號的地震儀沒有偵到到任何火星地震。因此科學家只能試著用火星的密度和運動慣量來建造火星內部模型。運動慣量受到它的質量分配的影響，在1997年科學家分析比較了海盜計畫及探路者計畫所得到數據，再計算出火星「晃動」的程度，進一步推導出火星的運動慣量。根據這個模型，如果火星地核是純由鐵(原子序26)組成，它是體積小但密度高；如果火星地核含有較輕的物質，例如硫(原子序16)或是氫(原子序1)，它會比較大但密度低。
另一個火星地核的關鍵線索是它的磁場強度。地球的磁場來自於地核受熱成為融熔液態並循環流動產生的電流。因此，如果一個行星擁有磁場，它的核心必須至少呈半融熔液態才能循環流動並產生電流，就如同用鍋子燒水一樣，水在鍋中翻滾，將熱量由底部傳向表面。自從1965年水手四號飛掠火星之後，科學家就知道火星沒有一個像樣的磁場。蘇聯的太空船之後曾不正確地測到火星有磁場，不過太空總署在火星全球測量者上裝的磁力計之讀數證實之前水手號的資料無誤。2001年，科學家推斷火星的全球磁場強度不及地球的十萬分之一。所以若是去火星遊玩的話，指南針或羅盤可以放在家裏。
不過，火星在幼年時的確有磁場。火星全球測量者上的磁力計在火星南半球的古老大陸上讀到強烈的磁化現象，這個磁化現象不是來自火星地核，而是來自火星地殼。如果地殼中的岩石含有正確的礦物，在有磁場的環境中自融熔狀態冷卻下來，它的原子將依磁場方向排列，成為有磁性岩石。所謂正確的礦物包括磁鐵礦、磁黃鐵礦、赤鐵礦、磁赤鐵礦、鈦磁赤鐵礦，任何一種都含有鐵。
火星地殼磁化最強的地區在辛美力亞台地和海妖台地，前者的名字來自荷馬史詩奧迪賽中的航海民族，後者來是海中的美麗女妖，她們的甜美誘人的聲音會讓水手忘了掌舵而撞船。辛美力亞台地和海妖台地都十分古老，遍佈環坑的區域可追溯自早諾亞世。地球上磁力最強的地方接近俄國庫斯克，火星上磁力最強的地方超過的地球的廿倍，而且延伸了一千英哩，也比地球上長多了。超過40億年前，當時火星上一定有一個很強大的全球磁場。但這個磁場沒有持續很久，因為火星南半球上兩個巨大的撞擊盆地：希臘盆地和銀島盆地都沒有磁化現象。因為形成希臘盆地和銀島盆地的大撞擊足以融化岩石，岩石冷卻之後並沒有磁化現象，表示火星全球磁場在撞擊之前就已衰退。而形成希臘盆地和銀島盆地的大撞擊發生在早諾亞世，據以推算火星的磁場只存在了幾億年而已。
缺少磁場亦意味著火星地核早已凝固，但令人吃驚的是，2003年時，科學家的最新推論剛好相反，他們觀測太陽對火星的潮汐效應及火星變形程度，計算推導出火星核心至少有部份呈流體狀態。理論上，核心愈堅固，變形的程度就愈小。因為火星全球測量者的軌道會隨著火星的變形而跟著改變，其軌道變動幅度顯示火星的核心至少部份是甚至完全是流體狀態。那麼沒有磁場表示火星內部熱流不多，否則猛烈的熱流必會將流體翻攪循環，造成磁場。也可能是火星的地殼很厚，比地球的地殼還厚，就好像壓力鍋蓋住了，抑制了熱流。
火星的主要組成不是內部的鐵核心，而是包圍鐵核心的矽酸岩地函。矽酸鹽岩石的主要元素是矽和氧，其它還包括具放射性的鉀、釷、鈾元素。當這些元素衰變時，它們加熱地函。即使火星誕生的熱量早已褪去，這些放射元素所釋放的熱量仍持續支持火星的火山活動之所需。因為放射性鉀–40、釷–232、鈾–238的半衰期都超過了10億年。
地函外面則是地殼，也是最外面的一層。地球的地殼在海洋下方的很薄，在大陸下方的很厚。火星的地殼在撞擊盆地下方最薄，例如希臘盆地和銀島盆地；火星的地殼在塔西斯火山群下方最厚，因為火山將熔岩由地函中升起，再漫流在地殼上。依據由火星全球測量者的資料所建立的模型，推論出火星的地殼約有地球的三倍厚，平均厚度為30英哩，其原因為紅色行星之冷卻程度和固化程度都比地球高。
由於薄的地殼比厚的地殼容易滑動，所以地球有大陸板塊漂移，但是火星卻沒有，也因此火星上就沒有大陸板塊漂移而推擠隆起的高山鏈。火星上雖然有巍巍山岳，但是它們並不是排成一列像喜瑪拉雅山脈一樣。喜瑪拉雅山脈是由印度大陸板塊撞上亞洲大陸板塊，將它們中間的陸地隆起而形成。
但是，遠古火星可能有著不同的故事。當時火星地殼比現在薄，增加板塊的移動能力，還有水可以減少大陸板塊的摩擦力。再加上在1998年，火星全球測量者的磁力計發現火星遠古大陸板塊漂移的可能證據。在地球上，當美洲大陸漂移遠離歐洲及非洲大陸時，熔岩從大西洋海床噗噗冒出，當熔岩冷卻時，它的磁化方向與當時地球磁場方向相同。因為每隔幾十萬年，地球磁場會反轉一次，今天的指南針在下一次地磁反轉時就會成為指北針。因此在上一次地磁反轉前從海床中噗噗冒出的熔岩，其磁化方向和現在剛好相反。這些磁性反轉的熔岩散布在海床上，大西洋海床就如同班馬條紋一樣，每一條代表相反磁性的區域。
當火星全球測量者的磁力計在辛美力亞台地和海妖台地上記錄到磁化的岩石時，同時也發現一條條長長的相反磁性區，與大西洋海床上的類似。但是每一條都遠大於地球上的，其形成原因或許是其它現象，而不止是大陸板塊漂移而已。但如果火星上曾有大陸板塊漂移，如果大陸板塊漂移需要水的潤滑，那麼古代火星或許也有海洋。
火星的山峰都很高，盆地亦很深。1999年由火星全球測量者的雷射測高儀獲得清楚完整的火星地形圖。測高儀以每秒十次的頻律向火星表面發出脈衝雷射波，愈慢接收到反射回波，表示該處愈低下。雷射測高儀所得到火星表面高度之誤差不超過數英呎。因此，現在科學家對火星地形的瞭解，甚至超過地球某些地方。新資料也顯示，過去舊的測量數據中，有些錯誤可高達數英哩。例如，太陽系及火星最高的奧林帕斯火山，就比原本以為的高度矮了三英哩。要是同樣的誤差校正應用在洛磯山脈，洛磯山脈的最高峰就在海平面以下了。
火星的地勢高低差距範圍比地球大多了。從它最高的奧林帕斯火山山頂到最低的希臘撞擊盆地，高度相差超過18英哩，這個數字是地球的地勢高低差距範圍的1.5倍，可是火星直徑只有地球的一半大。為何如此？因為沒有大陸板塊漂移，火星的火山永達座落在火星地函的同一個熱點上，愈長愈高、不停的愈長愈高，而且火星的地殼比較厚，可以支撐超重的火山，再加上不下雨，山峰或谷地表面受到侵蝕風化的威脅極低。
°•. 火星健行
由北極走到南極，遵循路線已標示在全新繪製的火星地圖上。這份全新的地形圖是由火星全球測量者的雷射測高儀所製作，再依不同的高度著色，可以提供更多的資訊。紫色表示最低的地方，藍色表示低地，綠色和黃色逐漸升高，橘色和紅色表示高地，少數褐色和白色表示最高的山峰和高原。科學家是如何訂出火星的零高度，也就是火星的「海平面」位置呢？簡單的說就是把高山磨平，把深谷填滿，並維持火星的扁球形狀。實際的方法是計算火星的重力強度，在火星的「海平面」上每一點都要相同。因為地形高度變化會影響地表重力強度，一座像奧林帕斯火山的巨大山體，其產生的萬有引力作用足以將周圍的海升高一英哩高，相較於火山不存在的情況下。所以火星的海平面不是用「離核心之某一固定距離」或是某一數學函數算出來的，而是將山體提升的引力一一計入而算出來的。註：高解析度的地形圖(17.6MB)及其它地圖，可參閱火星全球測量者的雷射測高儀網站。
- 阿爾波小火山
- 安翡翠特斯火山
佩紐斯火山 - 阿波林奈瑞斯火山
- 阿蘭動亂
- 什洛尼爾斯小火山
- 北方地塹(見下圖)
- 道谷
哈瑪基斯谷 - 蓋爾環坑
- 古雪夫環坑
- 赫崔卡火山
泰倫納火山 - 海卡斯特小火山
- 納倪第谷
沙爾巴塔納谷
西穆德谷
蒂尤谷 - 夜晚迷宮
- 萊歐特環坑
- 卡塞谷
- 塔西斯小火山
- 奧林帕斯榮冠
- 烏茲波伊谷
尼爾加爾谷
運用此火星的地形圖，很明顯的看出火星南北半球高度差異。大部份的北半球著色為藍色，表示低下；南半球冒出許多橘色和紅色，表示高上。南北兩極的顏色也呈顯著不同，北極區域是藍色和綠色，南極區域是黃色、橘色和紅色。科學家在1972年就知道火星「南北分立」的現象，當時水手九號的資料顯示北半球為平緩低地，南半球為遍佈環坑的高地。現在，由最新的地形資料顯示，火星北極比南極低了將近4英哩，或是6千公尺。所以，當旅客由北極散步到南極時，上坡路會走得有點累。如果在火星表面上倒滿水，四分之三的水會流到北方低原。
沒有人知道火星「南北分立」形成的原因，或許是北半球受到一次大撞擊，岩石被撞飛了，或許南半球的下方剛好是個熱井，地函的融熔物質由此處上升。或者遠古的年代，火星有大陸板塊漂移，正好全漂到南半球，北半球形成巨大盆地，就如同地球上的太平洋海盆一樣。
健行的出發點是冰冷的北極。北極冠其實應該說有兩個，第一個是永久極冠，由水結冰形成，夏天時仍然不融化；第二個是季節性極冠，在秋天和冬天時才會形成，是二氧化碳結成的乾冰，覆蓋在永久極冠上並延伸至更大範圍。令人驚訝的是，北極冠上還有一些環坑。北極冠還年輕，約為晚亞馬遜世的年齡。包圍北極冠是一圈深色的沙丘區域，也不老，具成層結構，而且可能透露火星古氣候的秘密。(詳見「風」)
北半球其餘部份幾乎都是低下平原，在地形圖上呈現藍色，它們非常平緩，很像月球上的「海」，可見到的環坑數目很少。不過依火星全球測量者最新的資料顯示，有為數眾多的環坑在地表下，上面被覆一層薄薄的物質。地形圖上均一的藍色表示北半球低原有均一的高度，意味著遠古火星可能有一個北方大海。(詳見「水」)
在2003年，美國地理測量局的科學家發表一篇有關火星北半球低原的論文，在仔細檢討火星全球測量者的照片之後，他們發現北半球低原具兩層成層結構，下方為較厚的熔岩床，年代約為早赫斯珀利亞世，上方為厚約100公尺的沈積物，堆積的時間約在晚赫斯珀利亞世，許多通往北方的大洪水渠道也是該時期形成。因此他們推論，在晚赫斯珀利亞世的大洪水，將水注入北半球低原，可能形成短期的大海，並形成沈積物。
在火星北半球緯度50~60度之間，也就是北半球低原最北的區域，直接以拉丁文命名為北方大低原。穿過了北方大低原之後，又會碰到許多個北方平原，正確的說法是北方低原，例如，阿其達利亞低原，阿其達利亞意思是女神維納斯。阿其達利亞低原的西南方是克利斯低原，也就是海盜一號和探路者降落的北方低原。還有阿卡迪亞低原，意思是希臘的鄉村，阿卡迪亞的意思是田園詩般的牧野。阿卡迪亞低原南方是亞馬遜低原，科學家們用亞馬遜低原的地質年代來命名火星歷史最近的時期：亞馬遜紀。阿卡迪亞低原的西方是烏托邦低原的北部，海盜二號降落在烏托邦低原。烏托邦低原的西南方是伊西底斯低原，伊西底斯命名來自埃及女神伊西斯，意思是天空的女王。烏托邦低原和伊西底斯低原都是小行星撞擊造成的凹地，因為伊西底斯低原有明顯的圓形，科學家早在1970年就知道它的成因。在1980年有人提出烏托邦低原也應是撞擊盆地，但是沒有其它佐證，直到完成這份最新的地形圖：烏托邦低原是一個帶點紫色的、接近正圓的藍色區域。
在烏托邦低原、阿卡迪亞低原和亞馬遜低原之間是一小塊火山區，艾利西火山，艾利西命名來自荷馬古詩中的極樂園。在地形圖上，艾利西火山區像一個黃色及橘色的島，被周圍綠色和藍色的海包圍著。此區除了最高的艾利西火山之外，還有兩個小火山。艾利西火山的熔岩一路往南流過艾利西低原，再流到靠近火星赤道的地方，在地形圖上可見綠色的熔岩岩床平原。
最令人印象深刻的火山區域在火星地形圖的另外一端，塔西斯火山群，塔西斯命名來自聖經，是已知世界的極西之地。塔西斯區域的橘色和紅色幾乎佔了整個火星地形圖橘色和紅色的一半。座落或相鄰於塔西斯區域共有五座火山：奧林帕斯火山，在塔西斯區域西北方的白色及褐色高峰；亞爾拔高地，在東北方的紅色圓形區域；三個白色的高峰成一斜線跨過赤道，由北往南分別是阿斯克拉厄斯火山、帕弗尼斯火山、阿爾西亞火山，它們被合稱為塔西斯火山群。它們命名的由來分別是：阿斯克拉厄斯為古希臘詩人的家鄉，帕弗尼斯源自於希臘文的孔雀，阿爾西亞源自於羅馬城西北的森林。塔西斯區域有點像電影明星，實際上年齡不小了，看上去卻比較年輕。它形成的年代為諾亞紀，但熔岩覆蓋了撞擊盆地，所以它的表面的年代卻為赫斯珀利亞紀和亞馬遜紀。奇怪的是，塔西斯區域的東南方沒有火山，(詳見「火」)，只有一些高原，例如：敘利亞高原、西奈高原和太陽高原。
在塔西斯區域的東邊，即自塔西斯火山群山腳開始，有一系列由西向東延伸的巨大峽谷群，稱為水手峽谷。在地形圖上，這些峽谷是藍色和綠色的窄細線條，切分橘色和紅色區域。水手峽谷約有美國西部著名的大峽谷十倍長，不過大峽谷是由「水」造成的，水手峽谷卻是「火」造成的。當火星地函上升隆起造成塔西斯區域時，崩開了地殼，造成了這群峽谷。
火星南半球上充滿環坑的高地，一方面很單調，另一方面卻很吸引人。這個星球有三分之二的區域是這種綠色、黃色、橘色的地形，例如：靠近北方的阿拉伯台地和席爾蒂斯。它們的絕大部份是屬於諾亞紀和赫斯珀利亞紀，當然了，諾亞台地和赫斯珀利亞高原就在這裡。當早期的火星探測太空船將此區域充滿環坑口的地形照片傳回的時候，因為和月球的表面太類似了，科學家還以為火星不過是另外一個死寂的月球。不過即使環坑地形很類似，它們之間還有很大的不同。火星上有乾涸的河床切割過這塊區域，古代的環坑有嚴重的侵蝕現象，大部份小於十英哩的環坑口都看不出來了。因此，火星的諾亞紀具有非常高的侵蝕率，表示遠古火星不但有河川，還有更濃厚的大氣和濕潤的表面。
南半球高地有兩個巨大的撞擊盆地，希臘盆地和銀島盆地。早期觀測者用望遠鏡看火星，因為希臘盆地明亮的特徵，他們認為它是一個高原。實際上，希臘盆地是整個太陽系中最低的撞擊盆地，它低於火星的海平原以下5英哩，也就是8千公尺，在地形圖上呈藍色和紫色。在冬季時，希臘盆地表面結霜，讓它看起來更亮。它的直徑約1400英哩，即2300公里，相當於月球南極的艾特肯盆地的大小和形狀。科學家們推斷，當小行星撞擊火星形成希臘盆地時，巨量的岩石被噴向天空再墜回，散布在整個南半球上，部份解釋了南半球其它地方比北半球高的原因。撞擊的力量也震裂了周圍區域，使岩漿可以冒出地表，所以希臘盆地的東北方和西南方有四座火山。
銀島盆地比希臘盆地小而淺，它的底部只有綠色和藍綠色。和希臘盆地一樣，在冬季時銀島盆地底部結霜，看起來特別明亮，它的命名由來是恆河口的一個銀色小島。在幾十億年前，當火星比較溫暖和潮濕的時候，希臘盆地和銀島盆地可能是兩個大湖。
在希臘盆地和銀島盆地之間的是諾亞台地，其地質年代用來命名火星的年代。不過火星真正最老的台地是在希臘盆地的另外一邊，辛美力亞台地和海妖台地，它們有最強的磁化現象，時間可追溯至火星仍然有磁場的年代。
再往南走可能會令旅客們感到困惑，景色好像啊！怎麼跟出發時一樣呢？因為走到最南會碰到南極冠。但和北極冠不同的是，在南極由二氧化碳形成的乾冰冠是終年不化的，所以看不到下層由水結成的冰冠。科學家早期甚至爭論南極冠是二氧化碳形成的，還是水形成的？最新的地形圖支持「水冰冠」存在的理論，因為僅靠二氧化碳的乾冰，其強度不足以支撐現在高度的南極冰冠的重量。
°•. 火星表面
火星軌道太空船提供了火星全球景觀，但是登陸艇才能碰到真正的火星表面，提供另一種詳細資訊。第一個成功登陸的是海盜一號，降落在克利斯低原，其命名來自於一個遙遠的島，島上都是金子。實際上，克利斯低原上到處是石塊，石塊幾乎覆蓋了它百分之八的表面積。海盜一號同時看到沙丘和遠方環坑的環緣，沙丘應是近期形成的，因為它們的排列方向和海盜號所測到的火星現行風向相符。
海盜二號降落在四千英哩之外，烏托邦低原的東北角，看到的景色更單調，石塊幾乎覆蓋了它百分之十四的表面積。這些石塊可能是別處飛來的，最可能的來源是附近的一個隕石環坑，約在登陸地點東方110英哩處，在地形圖上烏托邦低原的東北角，可以看到一個白環，中間是紫色。
兩艘海盜號登陸艇的任務是尋找火星生命，它們都發現似是而非的一些現象。當它們在土壤加入水份，土壞中都冒出氧氣，就像是植物產生的。麻煩的是，當海盜號將土壤加熱到致死的高溫時，它還能冒出氧氣，但若真有什麼東西能「呼吸」，此時早該沒命了才對。因為火星的土壤中含有過氧化物，例如：雙氧水，當它變濕時會放出氧氣。僅管雙氧水化學組成和水很像，但水有助於生命，過氧化物卻有害於生命，它們會摧毀有機化合物。太陽紫外線照射也會摧毀有機物，而火星稀薄且不含臭氧的大氣層對紫外線毫無攔截能力。過氧化物加上太陽幅射，就不難解釋海盜號在火星上找不到有機化合物的原因了，即使不停打擊的隕石或彗星一定為火星表面帶來了一些有機化合物，也是在劫難逃啊。
兩艘登陸艇也測量了火星土壤基本組成。為了對照，先說明地球的土壤成份。自然界存在的元素由最輕的氫到最重的鈾，共有92個，僅僅其中兩個元素卻佔了地球地殼重量的四分之三。令人驚訝的是，在我們腳下的岩石裡，含量最多的元素卻是我們每天呼吸的氧，約佔地殼重量一半，達百分之四十七。
地球地殼含量第二的主要元素是矽，重量約佔百分之廿八。科幻小說家一直有個虛構的世界，支持生命的主要力量不是碳元素，而是矽元素。因為矽和碳在周期表上的同一行(族)，許多化學性質相同。要證明這個虛構世界不可能存在的最大證據就是地球自己，地球上矽的含量遠超過碳，但卻沒有演化出以矽為主的生命。而且矽加上氧就成了石頭：矽酸鹽礦物，例如長石、石英、雲母，都硬梆梆的缺乏延展力，生命似乎沒有延展力就不行。
除了氧和矽之外，還有六種元素貢獻超過百分之一的地球地殼重量。第一是最輕的金屬元素，鋁，佔地殼重量百分之八。其次是血液中不可缺少的，也是血的顏色來源，鐵，佔地殼重量百分之五。再來也是人體重要成分之一，鈣，佔地殼重量百分之四。其餘是鈉、鉀和鎂，各約貢獻百分之二至百分之三的地殼重量。從九十二種元素中挑選，地球地殼僅僅挑了八種之後，就達到它百分之九十八的重量。
火星呢？儘管兩艘海盜號登陸艇相差數千英哩之遙，它們測到的火星土壤成分幾乎一模一樣。和地球相同的是，火星地殼主成分也是氧和矽，但不同的是，火星地表含鐵的比例是地球的兩倍高。事實上，火星地殼的第三個主要元素就是鐵。相較於地球，在火星表面有這麼多鐵，可能是較少的鐵沈入火星核心。
相較於地球，在火星表面也有較高量的鎂。在地球上也可以找到含較高鎂鐵含量的石頭，那就是玄武岩，黑色是來自鎂鐵的顏色。玄武岩是火成岩的一種，由岩漿冷卻形成。它是地球上、月球上、也可能是火星上最常見的火成岩。而若火星上可以栽種作物，按道理會有較高含量的鎂和鐵，有朝一日，說不定某個健康食品的廣告台詞是：「保證產自火星──富含鐵和鎂」。
海盜號還發現另外兩個元素有令人訝異的高含量，硫和氯，它們在地球地殼中都不多。相較於地球，火星土壤中氯含量約為卅倍，硫含量約為一百倍。這麼高的氯含量可能來自鹽，就是每天煮飯燒菜要用到的鹽：氯化鈉，但海盜號並沒有偵測到高量的鈉。若是地球的海洋有一天完全蒸發了，留下來的就是鹽和硫酸鹽。所以火星上高含量的硫和氯是不是一種證據？紅色行星的北方低原是不是曾經是大海呢？或者，氯和硫是來自氫氯酸和二氧化硫，從火星的火山活動中噴發出來的。
1997年，探路者登陸在距離海盜一號東南東方五百英哩處，並放出一輛火星車：漫遊者號來檢查火星岩石。探路者和海盜一號的登陸地點都屬於克利斯低原，但探路者就在一個命名為戰神谷的大洪水渠道的出口。戰神峽谷在地形圖上是帶點松綠的藍色。探路者和漫遊者號號檢查了由大洪水沖下來的岩石，如同之前預期的，不少岩石證實是玄武岩，不過也有不少是含矽量較高的岩石，可能是安山岩。安山岩是地球上第二常見的火山岩石，它的命名來自它的產地，南美洲的安地斯山脈。和火星磁場資料一樣，安山岩也表示火星可能曾有大陸板塊漂移現象，因為地球上的安山岩是岩石經過循環過程，在地函中增加了矽含量而造成。但是，安山岩也可能是玄武岩受到外在因素而熔化後形成，所以光是安山岩不足以斷言火星曾有大陸板塊漂移現象。而之後的火星全球測量者的熱幅射光譜儀資料顯示，火星北半球低原的深色區域大部份是安山岩，南半球充滿環坑的高地的深色區域多半是玄武岩。
離探路者約半英哩處，有兩個小丘，現在命名為雙峰。它們有水平的成層結構，表示此區域可能不止經過一次大洪水，而是很多次大洪水。探路者也發現另一個火星曾經有水的證據，因為有些岩石可能是礫岩，就是一堆小石頭因泥漿結成一大團形成的。
°•. 來自火星的隕石
雖然過去探測火星的太空船們已獲得相當大的成就，但令人遺憾的是沒有帶任何火星岩石回到地球。不過，地球上的實驗室卻已仔細檢查了數十顆火星岩石。聽起來似乎有點矛盾，原因是當小行星撞擊火星表面時，火星岩石飛濺向天空，經過長途旅行，有一些到達地球。
地球上所有來自火星的隕石都是火山岩石，第一次有人注意到它們是在1970年代末期，因為這些隕石都十分年輕。大部分的隕石都來自小行星，和太陽系一樣古老，有46億年的歷史。但是這批奇怪的年輕隕石，年齡都約只有十億年，因此它們必定來自一個地方，當地最近還有火山噴發活動。小行星是不可能的，它們太小了，非常早就失去它們出生時產生的熱，連形成火山的機會都沒有；也不可能是月球，它的火山活動在數十億年前也停止了；唯一合乎邏輯的解答就剩下火星了。此外，這些奇怪的隕石都富含鐵，就像火星表面一樣。在1982年終於獲得臨門一腳的證據，科學家在幾顆這類型的隕石中發現有氣體陷於其內，而氣體的組成成份和火星大氣相同。
來自火星的隕石通常稱為SNC隕石，其命名由來是眾多發現地點中的三個，1865年位於印度的舍戈蒂、1911年位於埃及的那喀拉和1815年法國的傑辛喜。落在那喀拉的那顆碎成四十多粒，其中有一粒據傳還打死一隻狗。(雖然碎成四十多粒，但仍然只計為一顆隕石)。
因為科學家不知道它們來自火星何處，也不知道它們的地質成份，所以這些來自火星的隕石僅具參考價值，要得到有用的資訊，還是得由太空船直接帶回火星岩石才行。而且，它們在被發現前已在地球上待了幾十萬年，地球上的物質有可能摻雜混入其內。不過，從成本的考量來看，在地球上搜尋來自火星的隕石比送太空船去火星搬石頭回來是便宜太多了。每一顆來自火星的隕石都是從紅色行星表面來的，接觸隕石就是接觸火星。
奇怪的是，大部份來自火星的隕石都很年輕，但大部份的火星表面卻又很老。除了一顆外，這些隕石都屬於火星的亞馬遜紀，約在1億6千5百萬年至13億年之間。那顆特別老的是在南極發現的，編號為ALH84001，約有45億年，可追溯至火星的早諾亞世。這原因可能是較老的石頭不耐長途旅行吧，或許火星早期的岩石是礫岩性質，當被撞向空中，古老的石頭容易散開成一堆小礫石，大部份都在進入地球的大氣層時摩擦生熱化成灰燼了。
所有來自火星的隕石都是鎂鐵火山岩，和兩艘海盜登陸艇降落地點的岩石類似。由它們的年輕年齡，火星近期應仍有火山噴發活動，至少1億6年5百萬年前還有，也說不定現在仍然沒停歇，正蘊釀下一次的噴發呢！大部份的來自火星的隕石應是來自塔西斯區域，因為那兒是火星最大片的火山區域。如同先前所述的，研究來自火星的隕石，也可以猜測紅色行星的鐵核心形成很快，當時火星剛誕生，還是很熱乎的呢！
火星的核心曾經產生過磁場，保護遠古火星的大氣層，不受太陽風的破壞。在火星的諾亞紀，火星可能有一個足夠厚的大氣層，能溫暖和潮濕在其下的紅色土壤。(詳見「風」，現代火星有如一層輕紗的大氣層，仍保留著遠古火星的線索。)
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