或許它很稀薄，或許它連保暖它所包覆的東西都作不到；但風仍然從高山上疾勁的吹著，沙塵暴仍然捲起沙漠裡的碎石，霜仍然降在兩極冰冷的土壤上；火星表面那薄薄的空氣仍支持著大氣層的種種活動。當火星運行到最接近太陽的時候，太陽的熱量足以激起巨大的沙塵暴，足以籠罩全球。當冬天來臨時，四分之一的大氣層消失了，凍結成深色的極冰冠。而且火星沒有足夠大的衛星可以穩定它的旋轉，它的自轉軸擺盪著，使它的氣候呈更極端的變化。數十億年前，火星可能有更濃厚和潮濕的大氣層：由彗星或小行星帶來及火山噴發的氣體所組成，其甚至可能支持生命的發展。(下圖為火星精神號所見落日餘輝)。
由氣象學的許多觀點來看，火星和地球十分相像。火星和地球都不大，大氣層薄到讓太陽光能穿透照射到地表，所以地表白天升溫，晚間降溫。兩者自轉速度都很快，兩者有類似的自轉軸傾斜角度，所以有類似的四季現象。兩者都有二氧化碳吸收太陽熱量，溫暖整個空氣。
不過它們也有關鍵性的差異，海洋幾乎佔了地球四分之三，而火星卻沒有。因為海洋對溫度變化的反應很慢，所以地球上有著溫和中等的氣候。而火星沒有海洋調節溫度，也沒有足夠厚的大氣產生的絕綠作用，火星表面可說是嘗盡劇烈溫度變化的苦頭。在地球上，海洋可以將熱量由赤道區域輸送至南北兩極，在火星上要靠其稀薄的空氣來作這吃力的工作；海洋還可以陷住塵土碎屑，抑制沙塵暴。在地球上，水蒸氣提供大氣活動的動力，例如當水由氣態變成液態時，它放出能量，這個能量又增強了暴風雨。在火星上，塵土扮演著相同的角色，當飛揚的沙塵吸收太陽光時，大氣隨之加熱。火星的地形變化十分顯著，高的更高，低的更低，改變了火星的風；而且火星繞日軌道比地球繞日軌道更橢(較大的離心率)，所以火星和太陽的距離，也會影響其四季變化。
°•. 火星的季節
就像地球一樣，火星也有季節變化，而且是同樣的四季。和大家平常想的不一樣，地球的四季不是因為距太陽的遠近而造成的。哈佛大學曾做過問卷調查，許多人以為夏季是地球最靠近太陽的時候，冬季是地球離太陽最遠的時候。最離譜的是，居然有一個哈佛天文系研究生也以為如此。
事實上，地球的四季是因為地球「站歪了」，它的自轉軸傾斜了23.4度。所以地球在繞太陽運行時，有一半的時間，北半球是「傾向」太陽，因此北半球是晝長夜短，而且陽光強度大，此時就是北半球的春天和夏天，南半球的秋天和冬天。另一半的時間，北半球「偏離」太陽，因此北半球是晝短夜長，為秋天和冬天，南半球是春天和夏天。如果地球的四季是因距太陽的遠近造成的，那麼南北半球會有同樣的夏天和冬天，而不是像現在一樣剛好相反。
地球的繞日軌道幾乎是正圓，所以在一年之內因距太陽遠近造成的太陽照射量變化僅百分之七。跟大部份人所想不同的是，地球離太陽最近的時間在每年1月初，此時是北半球的冬季，地球離太陽最遠的時間是每年7月初，是北半球夏季。所以，住在北半球的居民，別再想當然耳。地球的四季不是因為距太陽遠近而造成的。理論上，南半球的夏天是地球距太陽最近的時候，太陽照射量稍微大一點，應該也會熱一點，實際上，南半球大部份為海洋所覆蓋，海洋可調節溫度變化，所以南半球的四季變化反而比北半球溫和。
但是，地球略橢的繞日軌道還是造成可分辨的差異：北半球的夏季時間比其冬季時間長。依據克卜勒定律，就是克卜勒在研究火星位置時發現的，當行星在距離太陽最遠的地方，它運動的速度最慢。當北半球夏天的時候，地球離太陽最遠，所以動的最慢，因此北半球的夏天比其冬天要長了四天半。
火星雖然有一個更橢的繞日軌道，但其四季的成因仍然是其自轉軸傾斜的緣故。只是火星的太陽照射強度變化可高達百分之四十五。當火星最接近太陽的時候，是火星南半球的夏季，所以火星南半球的四季變化比北半球劇烈得多。這也可能解釋為什麼火星沙塵暴都是起於南半球。火星更橢的繞日軌道造成其季節長度變化更甚於地球，最長的季節是北半球的春天，亦即是南半球的秋天為199天，而其最短的季節是北半球的秋天，亦即是南半球的春天為147天，兩者相差了52天。
°•. 大氣組成
火星的大氣和地球不同，二氧化碳佔紅色行星大氣的95.32%，約是地球大氣中二氧化碳含量比例的二千倍。只有金星有更高的比例。地球上人類及其它動物呼吸時放出二氧化碳，但植物可吸收它，海洋可溶解它，所以二氧化碳僅佔地球大氣的0.037%而己。對人類來說，二氧化碳可以是毒氣，幾個百分點就可以致人於死。
在地球或火星的現行大氣壓下，二氧化碳都不會成為液態，而是直接從氣態冷凍成固態，或是由固態直接昇華為氣態。在火星上，二氧化碳的凍點溫度是華氏零下195度，在南半球的冬季時，由於大量的二氧化碳凍結成為南極冰冠，四分之一的火星大氣消失了。地球未曾有過這種問題，因為地球比火星溫暖，且地球的主要氣體是氮氣，其形成液態的冷凝溫度是華氏零下320度。當火星進入南半球的春季時，二氧化碳開始昇華，一部份氣體會跑到北方凍結成北極冰冠，因為此時北半球正進入秋季。
火星大氣中含量第二多的是氮氣，約佔2.7%，相對於地球上的氮氣比例高達地球大氣的五分之四。氮是構成蛋白質的重要元素，是生命所必需的。火星上存在氮，對主張火星有生命存在或曾經有生命存在的一派提供強力論點。但是大部份的生物不能直接使用分子形態的氮，分子形態的氮卻是火星上或地球上的氮的主要存在形式，因為分子型態的氮最穩定。分子形態的氮必須轉變為其它形式才行，例如氨氣或硝酸鹽，由閃電或是由細菌利用固氮酵素都可以造成這種轉變。不幸的是，現在沒有人知道火星表面是否有硝酸鹽或是任何其它氮化物。
令人驚訝的是，火星大氣中的二氧化碳及氮氣的比例與金星的相同，只是金星的大氣層比火星濃上幾千倍。而且，地球大氣也可以有類似的比例，如果鎖在碳酸鹽岩石，例如石灰岩中的二氧化碳全放出來的話。其實，因為金星、地球和火星很靠近，形成它們的行星原質的成份也不會差很遠，有十分類似的二氧化碳及氮氣的比例並不足為奇。
除了二氧化碳及氮氣之外，火星大氣中最多的是氬氣，氬氣是鈍氣的一種，它佔火星大氣的1.6%，地球上則僅0.93%而已。有一段時間，科學家以為氬氣是火星大氣的主要成份，一部份的原因是來自蘇聯太空船的錯誤，另外一個原因是岩石中的放射性鉀–40可以衰變為氬–40。因為氬氣是鈍氣的一種，它不會和包圍它的岩石起反應，反而會被擠壓上升到地表，這個稱為逸氣。火星的逸氣速率比地球低了很多，因為終火星的一生，幾乎沒有大陸板塊漂移現象，沒有地震活動，沒有猛烈的火山爆發而釋出大量氣體到地表。因為火星的大氣很稀薄，氬氣的總量依然很少，依此總量計算顯示，火星的逸氣速率只有地球的十六分之一。
可供人類呼吸的氣體就更少了，雖然火星土壤的最主要元素是氧氣，火星大氣中只有0.13%是氧。而氧本身就是造成其含量稀少的原因，因為氧十分容易起化學反應，從大氣中移除自已而進入岩石裡。地球大氣中有氧氣是因為地球有生命存在，尤其是植物光合作用放出氧，如果地球上生命一切死絕，大氣中的氧在4百萬年後就會消失殆盡。
由於火星大氣中含有少量的氧，所以也含有更少量的臭氧，是由一個氧原子和一個氧分子結合而成。在地球上空平流層當中的臭氧，擋住了太陽光中致命的紫外線。依據2000年的研究顯示，火星表面的紫外線的照射強度是地球表面的十倍。所以，近代火星陷入一個苦命的循環，沒有生命所以大氣層中沒有氧氣，大氣層中沒有氧氣就沒有臭氧，沒有臭氧保護就沒有生命，至少表面沒有生命。火星上偶而會有臭氧形成，在最不需要它的時候，冬天太陽照射最弱的季節。因為冬天空氣冷，含較少的水蒸氣，而水蒸氣是破壞臭氧的元兇之一。
因為火星的大氣層幾乎沒臭氧，它也沒有平流層。地球有平流層的原因是臭氧吸收了太陽的紫外線幅射，加熱該區域大氣，因此造成溫度反轉現象。在地表，通常是升得愈高，感覺愈冷，俗語說：高處不勝寒。但是在平流層，升得愈高，卻碰到愈熱的空氣，而不是愈冷。此種溫度反轉現象造成平流層大氣特別的穩定：如果你把一團在對流層的空氣移到平流層中，因為它的溫度比較低，所以較周圍的空氣重，它就會自動地降回原來的對流層裡。在平流層之下的大氣，稱為對流層，剛好相反，愈攪和，變化愈大，給了我們萬幻莫測的天氣。在此之上，火星或是地球都一樣，溫度隨高度升高而升高，因為太陽極端強烈的紫外線加熱外氣層中極少數的原子。
火星大氣中氧氣含量特別低，過去很困擾科學家們，因為太陽光的能量足以分解一小部份火星上最豐富的二氧化碳成為一氧化碳和氧。一直到最近，科學家才找到答案。2001年在地球上空的軌道衛星，太空總署的遠紫外光譜觀測者才解開謎團，在火星大氣中找到分子氫。因為氫氣很輕，原子序為1，很容易逸失至太空，所以在大氣中含量不多，僅僅百萬分之十五。要形成分子氫，要有一些含氫的化合物存在，例如原子氫或羥或水，這些含氫的化合物會將氧及一氧化碳轉回二氧化碳。這解釋了為什麼火星上二氧化碳含量雖高，但一氧化碳和氧含量卻都很低。
1993年，另一個在地球上空的軌道衛星，太空總署的超遠紫外光觀測者在火星大氣中發現另一個低原子序氣體，氦。氦如同氫一樣，很容易從火星表面逸失，它的含量也很低，僅百萬分之四。在2000年，美國的科學家團隊，就是他們發現火星大氣中的氦，進一步推論百分之七十的氦氣不是來自火星，而是來自太陽。太陽現在最多的就是氫和氦，而且源源不斷地向外射出帶電粒子，就是太陽風，太陽風抵達後，這些帶電粒子再和火星的上層大氣混合。其餘百分之卅，他們認為來自火星內部。火星地函和地殼含有放射性金屬釷和鈾，當它們衰變成為鉛時會放出氦。如同氬氣一樣，氦是惰性氣體，不會和周遭的岩石起反應，而是會被擠壓向上，最後成為逸氣而進入火星大氣之中。由紅色行星的大氣中氦氣的稀少程度來看，科學家估計火星現在的逸氣率只有地球的十五分之一，這個數值與由氬氣所推導出來的逸氣率相當穩合。
火星大氣中還有其它的鈍氣存在，海盜登陸艇發現極少量的氖、氪和氙，由於鈍氣以原子型態出現，不會兩兩結成一對分子型態，所以由它們的同位素比例，可以分析古代火星大氣，進一步提供線索以研究古代火星氣候，詳見本章末節。
°•. 火星天氣
火星很冷！其實地球也可能很冷，如果大氣中缺少溫室效應氣體的話。沒有它們，地球現在可能是冰河世界，海洋全部結凍，它的平均溫度僅達華氏零度。幸運的是，地球有少量的二氧化碳氣體、水蒸氣以及其它溫室效應氣體，它們允許陽光中的可見光進入並溫暖了大地，當大地放出輻射熱時，是以紅外線放出，這些氣體會試著擋下(吸收)紅外線，使熱量不會逃逸至太空中。溫室效應作用將這個世界大幅變暖了華氏60度。
火星沒有這麼幸運，雖然二氧化碳是火星大氣的主要成份，這麼形容：一條火星的大氣柱子中含有的二氧化碳是一條地球的大氣柱子中含有的二氧化碳的四十倍，但二氧化碳的溫室效應能力不如水蒸氣，火星的大氣之中偏偏十分缺乏水蒸氣。因此，火星大氣中的溫室效應氣體僅僅將火星變暖了約華氏十度。微弱的溫室效應，加上距離太陽較遠，造成火星的平均溫度為華氏負六十七度。與地球相比，這幾乎是將溫度計正負顛倒過來看，因為地球的平均溫度約在華氏六十七度。
海盜號和探路者都親身感受到火星有多冷，傳回第一手的資料。火星在日出前溫度最低，當太陽升起來後，很快變暖，溫度在剛過正午時最高，下午的時候溫度又急速下降，晚上的溫度下降則緩多了。在探路者的降落地點，夏天時一天最低溫約在華氏負一百度，最高溫約在華氏十度，每天溫差可超過華氏一百度，主要原因是稀薄的大氣對地表提供極少的隔熱效果。
以整個行星來說，溫度最低的地方是兩極在冬天永夜的黑暗時分，當時溫度會降到二氧化碳的凝固點，華氏負195度。因為二氧化碳結成乾冰時會釋放熱量，所以溫度不會再降低。如果地表試著更冷，空氣中會有更多的二氧化碳凝固，放出熱量而溫暖地表，維持地表溫度在華氏負195度。紅色行星最溫暖的地方是南半球春季的尾聲，當時太陽直射南半球，而且又是火星最靠近太陽的時候，當中午時分溫度可達舒爽媚人的華氏八十度。
但這就算冷了嗎？探路者發現在白天的時候，在離地表僅數英尺的空氣又冷了許多度。這是因為太陽光溫暖了地表，但火星稀薄的空氣無法將熱量向上傳導。如果你曾赤足在太陽照射的柏油路上行走，你就可體會那種感覺。因為火星表面的溫度是受太陽光照射的直接影響，在火星的山頂上的溫度可能與它旁邊的深谷相同，這一點和地球有很大不同。
海盜號和探路者也測量火星的大氣壓力。地球的地表大氣壓力約為一巴，或是一千毫巴。火星的地表大氣壓力約只有六毫巴，僅地球的一百七十分之一。不過由於火星的重力比較小，火星的空氣壓得並不緊密，若要達到同樣的大氣壓力，火星上的空氣要比較厚才行。因此，若以一條空氣柱的平均質量來比較，火星上的空氣柱質量就不止地球的一百七十分之一，而是七十分之一。火星表面的大氣十分稀薄，大約與地球的同溫層相同。
火星大氣壓力還會因季節和地區而變化。空氣就和水一樣，會往低處流動，所以火星大氣最厚的地方就在地表低淺之處，像是北半球的低原或是南半球的撞擊環坑希臘盆地和銀島盆地；而最薄的地方就在最高的山峰頂端。由於火星的地形高度差距極大，詳見「地」，所以在地表最深邃的地方的大氣壓力是最高聳山峰頂端的十倍以上。海盜號和探路者的登陸地點都在北半球的低地上，所以它們所記錄到的大氣壓力均較火星的全球平均大氣壓力來得高。
由於四分之一的大氣在南半球的冬天時會進入南極的冰冠而「消失」，所以火星大氣壓力也會隨著季節而變化。這樣的狀況不會發生在地球上。由於火星南半球的季節變化較北半球劇列，南半球冰冠的大小對火星各地區的大氣壓力都具決定性的影響。在南半球的夏至時，南極受到最強的太陽光照射，二氧化碳乾冰昇華揮發，在大氣層中加入氣體，此時火星大氣壓力達到尖峰。在南半球冬天時，南半球冰冠進入永夜時分，二氧化碳凝結成乾冰，此時大氣壓力陡降，為整年最低的時候。
雖然海盜號降落在北半球，它們都見識到由南極造成的季節性變化。在一個火星年裡，在海盜一號登陸地點的大氣壓力變化可由最低的6.8毫巴到最高的9.0毫巴，差別可達到30%。地球的大氣壓力變化僅略大於5%。由於海盜二號降落在烏托邦撞擊盆地，它記錄到比較高的大氣壓力，最低為7.4毫巴，最高可達10.2毫巴。
雖然火星的大氣十分稀薄，它依然有能力燃燒掉一些小隕石，不讓它們撞到地表。所以火星表面的岩石比月球上多了許多，因為沒有那些終年不斷的微隕石將岩石炸碎。另外，火星的殖民者在夜觀天象時，也能看到流星秀和隕石雨。若是沒有空氣，就沒有磨擦生熱，天空中就不會出現一條條迅速逝去的光芒。不過，大的物體通過火星大氣之後仍然活的下來，在2000年的一份研究顯示，火星表面每平方英哩約受到1300顆至130萬顆，重量超過1/3盎石的隕石打擊。有些隕石可能來自地球，想像一下，太空人很高興地在火星岩石中發現化石，結果化石居然來自地球。
火星的空氣很乾，但相對濕度很高，所以會形成雲。聽起來這句話很矛盾，其實這表示火星十分冷。冷凍的空氣帶不了多少水蒸氣，因此只要水蒸氣含量稍微多一點，相對濕度就會跳到100%，然後結成雲。同樣的道理，在地球上當空氣上升時就會結成雲。因為一團空氣上升時，高空的氣壓比較低，這團空氣就會膨脹和降溫，因此原來較低的相對濕度就增高了。反過來說，當一團空氣下降時，原來的雲可能會不見。低氣壓中心的空氣向上跑，在地球上就會形成雲並帶來雨，高氣壓中心為下沈氣流，帶來萬里無雲的藍天。
火星的大氣十分乾，如果把它含有的水蒸氣都蒐集起來，然後分佈在整個火星表面上，所形成的「大海」深度為0.01公釐，連浮潛都不夠，更不用想深海冒險了。相反的，地球大氣中的所有水份所形成的全球大洋將約有一英吋深，是火星的數千倍。這兩個行星的水蒸氣來源也是完全相反，在地球上大部份的水蒸氣來自溫暖的亞熱帶地區，而火星卻來自於冰冷的極冠地區。
火星的高山上，例如那巍巍聳立的塔西斯火山群或是艾利西火山，常會形成雲。在春季或夏季的早上或下午，潮濕的空氣由山下往山上流動，溫度一直下降到相對濕度達到100%，而雲形成為止。此時溫度不會再下降，因為若是更冷則會有更多的水蒸氣凝結成雲，同時放出熱量。此外，在南北兩極的秋季和冬季時，擴大的極冠上方也會形成雲。大部份的火星雲是水形成的冰，在兩極區域的某些雲可能是二氧化碳形成的乾冰。探路者太空船曾在清晨時記錄到雲，當氣溫上升時就消散了。
像地球一樣，火星也有氣旋，也就是低氣壓風暴，但它們不會降下雪或雨，只是它們會改變風。海盜號曾記錄到許多氣旋經過。霍伯太空望遠鏡在1999年觀測到一個超大氣旋風暴(見右圖)，看起來像大西洋上的颶風，只是直徑超過1000英哩，颶風眼的直徑超過200英哩。風暴源自於北極冰冠邊緣，可能是因為低溫的冰和旁邊相對溫暖的土壤之間大差異而形成。此外，就像地球上一樣，北半球的低氣壓風暴是逆時針方向旋轉，南半球是順時針方向旋轉。
°•. 火星的風
在風暴以外的地方，火星的風通常是輕柔的，尤其是在晚上。海盜號登陸的兩個地點所記錄到夜晚的風速約在每小時4英哩。白天的時候，風速增加到每小時15英哩。晚上的風通常是由高的地方往低的地方吹，白天的時候則相反。例如，探路者降落地點很接近戰神谷的谷口，晚上時風向谷口外往下吹，下午時則風向谷口內往上吹。
風造成的條紋可以延伸很遠，很多環坑可看得到風的條紋。有些條紋很明亮，其成因是環坑裡明亮的灰塵由環坑被帶到下風處。有些條紋是深色的，其成因一是風吹帶著深色的物質，或是風吹侵蝕了明亮的表面物質，露出了下方的深色岩石。有些環坑內的地面的也可以看到深色物質堆積，可能是風雖然可以移動它們，但不足以帶它們爬過環坑的環，就陷在環坑內了。
風的條紋十分有用，因為它們可以顯示出風的方向。它們可以指示出當南半球的夏天和秋初時，火星的盛行風向。南半球的秋初通常是火星沙塵暴歇下來的時候。由最北的北極到北緯四十度，風的條紋指示吹西風；北緯三十度至赤道，東北風；由赤道至南緯二十度，北風；由南緯二十度至三十度，西北風；南緯三十度以南，東風或東南風。
°•. 風中之塵
火星上超大的風暴含的不是水，而是沙塵。每年會發生幾十個沙塵暴，在少數的情況下，例如1971年和2001年，沙塵暴籠罩全球。由於火星上沒有海洋可以陷住沙塵，它們很不容易再回到火星表面，然後等待下一次風的召喚，再回到大氣中。科學家估計火星的年落塵量約是0.01公釐，或是1/2500英吋。可別小看這些微細的塵埃，它們有顯著的影響。檢視過去的歷史，由於它們會使大氣看來不透明，火星塵愚弄了十九世紀和廿世紀初期的天文學家，而高估了火星大氣層的厚度。在氣象學上來說，火星塵吸收太陽光，使得大氣的溫度升高。例如2001的沙塵暴，將火星的氣溫最多升高了華氏八十度。在氣候學上來說，沙子使兩極冰冠顏色變暗，而加快昇華的速度，因為暗冰比亮冰容易蒸發。
最大的沙塵暴都常發生在火星接近太陽的時候，通常是南半球春末或夏初之際，而且通常也是起源於南半球。例如1971年的沙塵暴起於諾亞台地，而2001年沙塵暴起於南半球巨大的撞擊盆地，希臘盆地。當火星最接近太陽時，強烈的太陽光激起了風，風再將沙塵攪向大氣中。當沙塵落回地面上時，又移動了其它的沙塵。而且當沙塵在大氣中時會吸收陽光，空氣溫度昇高，加強了風，風又攪起更多的沙塵，然後空氣進一步增溫，更再加強了風，終於形成了籠罩全球的沙塵暴。在1977年海盜登陸艇記錄到兩次沙塵暴，當時陣風風速高達每小時58英哩。因此，沙塵在火星上扮演一個很重要的角色，如同水在地球上的一個重要作用。水是地球上風暴的起動能源，因為當水由氣體變成液體時，也就是在空氣中形成雲時，它放出熱量。反過來說，當水蒸發時，它吸收熱量。你對此也不會陌生，在夏日炎炎的時候，在皮膚上灑點水，當水揮發時你會覺得皮膚涼涼的。
當一個沙塵暴結束時，明亮的沙塵落在整個火星表面，減少火星表面明亮區域和深色區域的對比。當盛行風清掃地表後，這個對比又會回復。很久以前，天文觀測者就發現這個現象，不過他們太樂觀的認為是栽種及收割作物的結果。由於風將火星表面物質攪和均勻，這也可以說明，(詳見「地」)，為何兩艘海盜登陸艇距離數千英哩之遙，它們卻發現兩地有相同的土壤成份。
除了沙塵暴之外，火星還有沙龍捲，就像是地球上沙漠中炎熱的日子裡，會出現沙塵旋渦氣柱，和龍捲風十分類似。海盜號和探路者都有記錄到沙龍捲經過，下圖為火星全球測量者拍攝到的兩個沙龍捲，左方的正在消散中。由陰影長度估算，它們都有數百公尺高。
°•. 氣候周期
火星也有氣候周期，就像地球一樣。地球氣候變動最劇烈的狀況就是冰河時期，當冰河由北方一路壓磨向南方時，將地上所有痕跡都埋在一英哩厚的冰蓋之下。科學家推論各個冰河時期發生的原因是其它的行星造成地球自轉軸的少許擾動，當地球的自轉軸傾斜角度改變，公轉軌道形狀也有助於較冷的北半球夏天，冰層開始擴大，壓倒性的冰川就一路南移。所幸地軸的不穩定性有月球來矯正，月球的重力可使偏移的地軸回到原來的角度，防止更災難性的氣候變化。 火星沒有一個足夠大的衛星，所以它的氣候周期變化就劇烈得多了。火星的氣候周期共有三種，科學家在考慮其它行星的重力作用於火星之上後，計算出它們的周期。最短的周期是歲差周期，火星的歲差周期是51,000年，而地球的歲差周期是23,000年。歲差周期的原因來自行星的擺動，就像是打陀螺一樣，陀螺搖頭晃腦的轉了一圈又一圈，當行星自轉軸改變方向時，會決定在行星最接近太陽時是那一個半球傾向太陽。現在，當火星南半球傾向太陽，也就是南半球的春末夏初之際，火星最接近太陽，因此南半球的季節變化更顯注。不過在25,000年前，也就是火星歲差周期一半的時候，情形剛好相反，火星最接近太陽的時候是北半球的春季，北半球的季節變化更顯注。
第二個周期，可能是最嚴酷的，就是行星自轉軸改變角度。現在地球的自轉軸角度是23.4度，紅色行星是相當接近的25.2度。不過自轉軸會像鐘擺一樣振盪，當火星的自轉軸傾斜角度不大的時候，太陽光很少照到兩極，只有少許冰冠蒸發。大氣循環十分微弱，空氣也很稀薄，造成沙塵暴停止。在那個時候，二氧化碳不再主宰大氣，因為許多二氧化碳鎖在兩極的乾冰內。反過來說，如果自轉軸傾斜角度達到最大的時候，兩極會輪流沐浴在陽光中，造成強烈的大氣循環，也不可避免地產生狂猛的沙塵暴。而且，如果陽光在兩極蒸發更多的冰，空氣會更濃厚，更易生成沙塵暴，因為濃厚的空氣更能揚起帶動沙塵。
火星的自轉軸振盪周期是120,000年，而地球是41,000年。地球上的居民應感謝月球的存在，因為月球重力的錨定作用，地軸變化角度不及兩度，為22.5度至24.4度。但是火星僅有聊備一格的兩個小衛星，其自轉軸變化就害苦了它。現在火星的自轉軸傾斜25.2度，很巧合地和它的平均傾斜角度十分接近。不過火星的自轉軸傾斜角度之周期振盪變化可以超過十度，在過去的幾百萬年裡，火星自轉軸由傾斜13度變化到傾斜42度反覆好幾遍了。
這還不算什麼，在火星的歷史裡，它可能曾經歷過完全不傾斜的0度，最多也曾歪到60度。現在的火星，如同地球，較多的陽光照在赤道區域，兩極則少多了，所以赤道地區也較暖和。當自轉軸傾斜角度增加時，兩極受到的陽光也就隨之增加。當角度昇到54度的時候，兩極會和赤道一樣溫暖。當角度超過54度之後，像是天王星和冥王星，兩極區域變成比赤道區域更溫暖。如果地球像那樣的傾斜程度，冰層將覆蓋非洲大陸，南極熱到沸騰。
第三個也是最後一個氣候周期變化因子是軌道離心率，也就是行星繞日的軌道形狀。現在火星的軌道十分的橢，離心率為9.3%。不過離心率的變化也很大，它有一個長周期，約為二百萬年，以及一個短周期，約十萬年。在二百萬年的長周期，火星繞日軌道可以由離心率為0%的正圓，到離心率為12%的橢圓。當火星繞日軌道為正圓時，一個火星年之中的日照強度不會變化，因此巨大的沙塵暴會停止，因為火星不會熱到能激起沙塵暴。當火星繞日軌道最橢的時候，最接近太陽的時候會比最遠離太陽的時候多得到60%的陽光強度。一個極橢的繞日軌道會惡化那季節的劇烈變化，也會激起更狂猛惡劣的沙塵暴。不管最接近太陽時是那一個半球傾向太陽，它的夏天會更炙熱，冬天會更寒凍。
由於這些氣候周期所產生的劇烈變化，氣候周期也成為火星古代大氣的兇手，它們令水乾涸，消滅所有生命。沒有其它內行星受到類似火星的痛苦，水星和金星站得正正的，因為它們很接近太陽，太陽的重力可以穩定它們的自轉軸。而地球非常幸運的，有一個夠大的衛星保護它，至少現在還如此。地球未來遲早要面對類似火星的麻煩，因為月球的影響力正在逐漸減退，這又是因為月球正逐漸遠離地球。依據科學家的計算，如果地軸傾斜角度增加，兩極區域會增溫，赤道區域會變涼。在未來的15億年裡，地軸的平均傾斜角度會小幅增加至26度，然後跳到34度。再過5億年，會漲到51度，某些時候可以高達60度。要防止這種氣候劇變，我們的後代子孫要想出辦法將月球拉回來才行。
°•. 火星空氣的消失作用
如果火星的火山曾經噴發過，如果火星上曾有河川流過，如果火星曾有一個海洋覆蓋北半球低原，如果火星上曾有生命誕生，那它一定有比現在濃厚的空氣。火山必須噴出氣體，以支持河川、湖泊和海洋的存在。否則像現在又稀薄又冰冷的空氣，水要不然就凍結成冰，要不然就昇華成水蒸氣，液態水將無法存在。而且，經由溫室效應的作用，大氣層可以提高地表的溫度，才能維持水的流動，以紅色行星與太陽的距離而言，這是生命的關鍵。在諾亞紀，河川的確曾在火星上流動過，在充滿環坑的高地上，有許多乾涸的河床做為見證；而風蝕變矮的環坑，也說明當年的侵蝕率是現在的一千倍以上。古代火星的大氣絕不是像現在輕飄飄的若有似無的樣子。
很不幸的，火星失去它大部份的空氣。沒有已知其它行星因如此巨大改變而受折磨。依據明尼蘇達大學的皮彭的研究，嬰兒時期的火星大氣可能比現在的地球大氣還要濃上十幾倍，而且大部份的成份是氫氣。氫氣不可能來自環繞著初生太陽的原質圓盤，因為原始火星太小了，無法抓住這類輕元素，它是來自不斷打擊火星的彗星。彗星內含有水，水分解成氫和氧，氫進入大氣中，氧氣和岩石裡的鐵形成鐵鏽。不過某些科學家持反對意見，例如夏威夷大學的歐文，他們認為火星上從未有過大量的氫在空氣中。
不管是那一種情形，任何富含氫的火星大氣都沒有存在很久。事實上，它頂多在紅色行星誕生後存在約1億年，也就是早諾亞世的早期。因為分子氫會吸收太陽幅射的遠紫外線，然後升高溫度，溫度升高則會增加氫的運動速度，然後逃離火星重力進入太空中。再者，如果真如同皮彭所想的，火星曾有一個以氫為主的濃厚大氣，當氫氣逃離時也會拖著一些較重的氣體一起跑掉。依據皮彭的計算，這樣的逃跑也符合火星現在的大氣中氙的同位素的含量。氙是鈍氣的一種，不會和其它元素起反應，也可以藉此追溯研究火星大氣的歷史。而且，氙的原子序是54，其重量對火星這樣的較小的行星來說，要抓住它也是綽綽有餘了。當海盜號登陸艇測量火星大氣中氙的同位素含量時，與地球大氣相比，其較輕的同位素比較少。這表示當氫氣逃離火星時，喜歡抓著較輕的氙同位素一起落跑至太空中。
不過，火星仍然保留了一份大氣層在它的地表之下，鎖在地函和地殼的岩石裡。在諾亞紀的時候，火山爆發所溢出的熔岩中嗝出許多氣體進入大氣中，例如二氧化碳和氮氣。因為熔岩是濕的，所以水蒸氣也進入大氣中。如果火星曾有大陸漂移現象，新冒出的地殼也會將地下的氣體帶出地表而進入大氣中。或許，早期火星的大氣可能就像早期地球的大氣一樣，主要成份是二氧化碳、氮氣和水蒸氣。而二氧化碳和水蒸氣是很強的溫室效應氣體，它們吸收太陽能並提升地表溫度。以地球為例，溫室效應曾保護地球免於結凍，也多虧了溫室效應，因為當時年輕的太陽光度比現在黯淡30%。至於火星到底當時多暖，沒有人知道。
即使火山仍在噴發、小行星和彗星仍在撞向火星，但總要面對真正的大麻煩。小型的撞擊會為火星帶來額外的氣體，在大型撞擊呢？依據1989年亞歷桑納州立大學的一篇學術論文，科學家認為像形成希臘盆地和銀島盆地的這類大型撞擊會將氣體炸向太空中，因此剝去了火星的大氣層。由於火星比較小，估計最壞的情況可能損失了90%的大氣。
金星或是地球的大氣層較不受這種攻擊的威脅，因為它們都比較大，所以它們的重力比較大，較易抓住並留存它們的大氣，因此它們現在都有比火星濃厚許多的大氣層。但是，當月球形成的時候，地球可能失去了不少它的原始大氣。科學家們認為月球形成的原因是一顆大約是火星大小的物體撞向地球，力量之大將地函的物質都一起噴向太空中，重新聚合成月球。這個大撞擊產生高熱，將地球表面的空氣都驅向太空。其實這也許是好事，否則今天地球的大氣可能仍然保持著與金星的大氣類似：高熱並令人窒息。但也有可能，即使沒有月球的形成，地球的大氣也會逐漸變稀薄，因為海洋和降雨會吸收大氣中的二氧化碳，酸雨侵蝕岩石，形成碳酸岩岩石，例如石灰石。
火星的大氣不但有來自天上的攻擊，它還有來自地底下的麻煩。當火星的內部逐漸變冷，在塔西斯區域和其它地方的火山作用也逐漸變弱，因此噴出來的氣體也愈來愈少，對火星大氣的補充作用也因而減少。如果火星曾有大陸板塊漂移，此時也停止了。在「地」曾介紹古代火星有過磁場，在辛美力亞台地和海妖台地的古老區域有磁化現象，這個古磁場曾保護著火星大氣層不受太陽風吹襲，而太陽風的帶電粒子會將火星大氣層剝離。但是這個磁場僅存在了幾億年，當它消失後，火星的大氣成為太陽風最容易的獵物。太陽風剝離作用最強的時候應在諾亞紀晚期至赫斯珀利亞紀初期，該時期火星的氣候嚴重惡化。
而且，變薄的大氣較難將熱量由赤道傳送到兩極，因此兩極變冷。1994年航太總署位於舊金山附近的艾美思研究中心的科學家認為兩極變冷導致另一個災難，當溫度低至二氧化碳的凝結點時，氣體冷凍形成冰冠，因此大氣就更薄了，使它更難將熱量由赤道傳至兩極，同時溫室效應也變弱了，於是兩極區域就更冷，冰冠也進一步擴大，從大氣中偷走更多的氣體，事情進一步惡化。
總結各種問題，無論是火山作用減弱、大陸板塊漂移停止、磁場消失、大氣變冷變稀薄，都是源自於火星體積不夠大，所以它的內部冷卻速度比地球的快。而且因為它的小體積造成火星大氣在遇上大型撞擊時不易保護自己。
氣候惡化僅是火星失去大氣的證據之一，火星現在大氣的氣體同位素也提供相同結論。當鈍氣氬逃脫至太空中，較輕的同位素氬–36比氬–38容易跑掉，因此現在的火星大氣中氬–38與氬–36的比例較地球的高出30%。而陷在編號ALH84001的火星隕石中的氬氣，卻與地球的類似。這顆隕石中保留的應是古代火星的大氣，也就是太陽風才剛剛開始剝離火星大氣的年代。那時候，來自太空的撞擊正在毀壞火星大氣，一視同仁地移去各種氣體同位素。
而由放射性元素產生的鈍氣同位素提供了更進一步的資訊。火星誕生時共有三種氬氣同位素，除了氬–36與氬–38之外，還有氬–40。當小行星或彗星撞擊火星時，所有的同位素都被噴炸向天空。不過，這樣的轟炸在八億年之後停止了，新的氬–40進入火星大氣，因為岩石中的放射性鉀–40衰變之後成為氬–40。而且鉀–40的半衰期長達13億年，所以大部份的鉀–40是在氫氣跑光了以及大轟炸把原來的氬氣掃除了之後才開始衰變。因此，現代火星的大氣中有較高比率的氬–40，其氬–40與氬–36的比率是地球的十倍多。
同樣的狀況也發生在氙–129上，其與氙的其它同位素之比率，火星約是地球的兩倍以上。氙–129來自放射性碘–129衰變。氫氣逃跑時以及大轟炸帶走原始火星大氣的氙氣，當碘–129產生的氙–129進入大氣時，相較於地球，它在氙的所有同位素中就佔了更重要的角色。碘–129的半衰期只有1千7百萬年，不過它產生的氙氣要從岩石中使勁地擠出，慢慢向上爬進大氣中。
火星也有著地球不同的氮氣同位素之比例，這也指向火星曾失去大氣層。無論是在地球、火星或是宇宙之間，氮氣的大部份是較輕的氮–14，一小部份是較重的氮–15。因為氮–14比較輕，所以可以升得比較高，進入大氣層的高處，較易逃離的位置。在火星的生命中不斷的失去氮氣，現在它的氮–15與氮–14的比率比地球的多70%。
對火星過去氣候有益的氣體都來自於火山噴發，在「火」會詳述火星上的火山。它們有著巨大的結構，高度遠遠超過地球上或太陽系中的任何火山。考量火山珍貴的後裔–一度溫暖火星的氣體，若火星的氣候曾經支持火星生命存在，控制氣候的關鍵便在火山手裡。
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