Sao Hỏa – hành tinh Đỏ đang đợi bạn khám phá ở bài viết này. Những điều thú vị về hành tinh, hãy cùng mình tìm hiểu nhé.

Thông tin cơ bản về sao Hỏa

Tên tiếng Anh: Mars

Tính từ Mặt Trời, Sao Hỏa là hành tinh thứ tư thuộc hệ. Kích thước Sao Hỏa lớn thứ 7, nhỏ thứ hai, chỉ lớn hơn sao Thủy. Bởi vì có trên bề mặt hành tinh có nhiều sắt oxide làm cho bề mặt nó hiện lên với màu đỏ đặc trưng (nguồn gốc tên Hành tinh Đỏ). Sao Hỏa cũng thuộc nhóm hành tinh đất đá như Trái Đất tuy nhiên nó có một khí quyển mỏng, mang các đặc điểm trên bề mặt có nét giống với cả các hố va chạm trên Mặt Trăng và giống như núi lửa, thung lũng, sa mạc và chỏm băng ở cực trên của Trái Đất.

Sao Hỏa sở hữu mùa và ngày tương tự Trái Đất bởi vì chu kì tự quay và độ nghiêng của trục quay so với mặt phẳng xích đạo của cả hai hành tinh là như nhau. Ngọn núi lớn và cao nhất trong hệ Mặt Trời từng được biết đến là ngọn núi Olympus Mons trên sao Hỏa. Hành tinh này cũng sở hữu một trong những hẻm núi lớn nhất hệ là hẻm núi Velles Marineris. Bao phủ tới 40% bề mặt hành tinh là lòng chảo Borealis bằng phẳng nằm ở bán cầu Bắc và có thể là một hố va chạm khổng lồ trong quá khứ. Hành tinh này có hai mặt trăng Phobos và Deimos đều nhỏ và mang hình thù kì lạ.

Có vài con tàu vũ trụ đã thám hiểm Sao Hỏa. Trong đó con tàu đầu tiên đặt chân lên đây là Mariner 4. Con tàu được NASA phóng vào không gian ngày 28 /11/1964, ngày 15/7/1965, nó tiếp cận gần hành tinh nhất. Mariner 4 đã phát hiện vành đai phóng xạ yếu của sao Hỏa và chụp các bức hình đầu tiên của một hành tinh khác trong vũ trụ. Ngày 14/5/2021 là chuyến thám hiểm gần nhất tới Sao Hỏa của tàu vũ trụ Thiên Vấn (Tianwen) -1 của CNSA. Trung Quốc phóng tàu thám hiểu Chúc Dung (Zhurong) đến Sao Hỏa vào ngày 22/5/2021, trở thành quốc gia thứ hai phóng thành công tàu thám hiểm đến hành tinh này, sau Mỹ.

Hiện nay, có nhiều cuộc điều tra về khả năng sinh sống trên Sao Hỏa trong quá khứ hay tương lai. Do áp suất khí quyển thấp (ít hơn 1% áp suất khí quyển trên Trái Đất) nên nước lỏng không thể tồn tại trên sao Hỏa. Tuy nhiên, có lẽ nước là thành phần chính của hai cực băng trên Sao Hỏa.

Từ Trái Đất, chúng ta có thể quan sát Sao Hỏa bằng mắt thường. -2,94 là giá trị cấp sao biểu kiến của nó, chỉ đứng sau Sao Kim, Mặt Trăng, và Mặt Trời.

Trước khi tàu Mariner 4 bay ngang Sao Hỏa và cung cấp các hình ảnh thì trước năm 1965, có nhiều suy đoán rằng hành tinh này có nước lỏng trên bề mặt. Những suy đoán này dựa trên các quan sát về sự biến đổi chu kỳ về độ sáng và tối của một số khu vực trên bề mặt hành tinh. Trong đó, họ dựa theo những vĩ độ vùng cực, nơi có đặc điểm của biển và lục địa; các đường kẻ sọc dài và tối ban đầu được cho là các kênh tưới tiêu chứa nước lỏng. Tuy nhiên, các đường sọc thẳng này sau đó được giải thích như là các ảo ảnh quang học mặc dù các chứng cứ địa chất được các tàu thăm dò không gian thu thập cũng chỉ ra có khả năng bề mặt của Sao Hỏa đã từng có nước lỏng bao phủ trên diện rộng.
Cho đến năm 2005, dữ liệu từ tín hiệu radar cho thấy ở hai cực và các vũng vĩ độ trung bình có mặt của một lượng lớn nước đóng băng. Vào tháng 3/2007, Robot tự hành Spirit đã lấy được mẫu các hợp chất hóa học chứa phân tử nước. Ngày 31/7/2008, tàu đổ bộ Phoenix đã trực tiếp lấy được mẫu nước đóng băng trong lớp đất nông trên bề mặt hành tinh.

Hai vệ tinh tự nhiên của sao Hỏa là Phobos và Deimos, có đặc điểm nhỏ và dị hình. Người ta suy đoán, có thể các tiểu hành tinh này bị Sao Hỏa bắt được, giống như 5261 Eureka – một tiểu hành tinh Troia của hành tinh Đỏ.

Mars Odyssey, Mars Express, và Mars Reconnaissance Orbiter là ba tàu quỹ đạo đang hoạt động bay quang sao Hỏa. Bên cạnh đó, robot tự hành thám hiểm Sao Hỏa (Mars Exploration Rover) Opportunity ở trên bề mặt hành tinh đã không còn hoạt động và robot còn lại song sinh là robot tự hành Spirit cũng đã ngừng hoạt động. Trên bề mặt hành tinh còn có những tàu đổ bộ và robot tự hành trong quá khứ còn nằm lại. Năm 2008, tàu đổ bộ Phoenix đã hoàn thành phi vụ của nó. Mars Global Surveyor – một tàu của NASA đã ngừng hoạt động cung cấp các dữ liệu quan sát chỉ ra chứng cứ về sự dịch chuyển thu nhỏ và mở rộng của chỏm băng cực bắc theo các mùa trên Sao Hỏa.Tàu quỹ đạo Mars Reconnaissance Orbiter của NASA đã thu nhận được các bức ảnh cho thấy có khả năng vào những tháng nóng nhất trên sao Hỏa có nước chảy.

Đặc tính vật lý

Sao Hỏa có bán kính gần bằng một nửa bán kính Trái Đất. Diện tích bề mặt của nó chỉ hơi nhỏ hơn tổng diện tích đất liền của Trái Đất. Hành tinh này có tỷ trọng nhỏ hơn Trái Đất, thể tích thực bằng 15% thể tích Trái Đất và khối lượng thì bằng 11%, cho nên tính ra nó chỉ bằng 38% trọng lực bề mặt của Trái Đất. Mặc dù có đường kính, khối lượng lớn hơn Sao Thủy nhưng tỷ trọng của Sao Thủy cao hơn Sao Hỏa. Đây chính là lý do khiến hai hành tinh có giá trị gia tốc hấp dẫn tại bề mặt gần bằng nhau – chỉ số của Sao Hỏa chỉ lớn hơn 1%.

So sánh thêm thì đường kính Mặt Trăng bằng một nửa của Sao Hỏa, khối lượng Mặt Trăng bằng 1/9 so với sao Hỏa (sao Hỏa lại bằng 1/9 khối lượng Trái Đất) nên người ta xếp sao Hỏa ở giữa Mặt Trăng và Trái Đất khi so sánh. Lớp phủ chứa sắt(III) oxide, thường được gọi là hematit, hay rỉ sét mà tạo nên màu sắc vàng cam của bề mặt Sao Hỏa. Bên cạnh màu này thì sao Hỏa còn được nhìn thấy với màu sắc bề mặt phổ biến khác là vàng, nâu, màu nâu vàng và hơi xanh lục, tùy thuộc vào những khoáng sản có mặt.

Địa chất

Giống với Trái Đất, Sao Hỏa có một lõi kim loại dày bao phủ bởi một lớp vật chất ít dày hơn. Theo các mô hình hiện tại về bên trong Hỏa Tinh cho thấy lõi của nó chứa chủ yếu là sắt và nickel và khoảng 16-17% lưu huỳnh. Trạng thái lõi sắt(II) sunfit này lỏng một phần. So với lõi Trái đất thì lõi này được cho là giàu nguyên tố nhẹ gấp hai lần lõi Trái Đất. Bao quanh lõi là một lớp phủ silicat, lớp này mang lại sự kiến tạo và đặc điểm núi lửa của hành tinh tuy vậy thời điểm hiện tại các hoạt động này đã ngừng hẳn. Ngoài silicon và oxy, các nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ sao Hỏa là sắt, ma-giê, nhôm, canxi và kali. Lớp vỏ có độ dày trung bình là khoảng 50 km trong đó phần dày nhất lên tới 125 km. So sánh với vỏ trái Đất trung bình dày 40 km thì chỉ bằng một phần ba Sao Hỏa nếu so cùng với tỉ lệ đường kính của hai hành tinh này.

Sao Hỏa có hoạt động địa chấn, ghi nhận từ tàu đổ bộ Insight thì năm 2019 có hơn hơn 450 trận động đất và các sự kiện liên quan trong xảy ra. Kể từ khi đáp xuống tháng 11/2018 đến 2022 thì Insight đã ghi lại hơn 1.300 trận động đất. Trận động đất ngày 25/8/2021 mạnh 4,2 đến ngày 11/5/2022 xuất hiện trận động đất ước tính đạt cường độ 5 độ Richter theo thang đo trên Trái đất. Theo thông tin từ Insight thì lõi sao Hỏa đích xác ở dạng lỏng và có bán kính vào khoảng 1830±40 km và nhiệt độ vào khoảng 1900-2000 K. Bán kính lõi sao Hỏa lớn hơn một nửa bán kính của hành tinh và so với bán kính lõi Trái Đất thì bằng khoảng một nửa. Kết quả này đã lớn hơn những gì các mô hình dự đoán nên có thể suy ra rằng phần lõi chứa một lượng nguyên tố nhẹ như oxy và hidro, hợp kim sắt-nickel và khoảng 15% lưu huỳnh.

Có một lớp phủ đá che lõi Sao Hỏa nhưng có lẽ không có lớp phủ dưới tương tự như của Trái Đất. Lớp vỏ này ước tính là trạng thái rắn xuống tới độ sâu khoảng 500 km – vị trí mà vùng vận tốc thấp (quyển mềm nóng chảy một phần) bắt đầu. Phía dưới vùng quyển mềm, vận tốc của các sóng địa chấn bắt đầu tăng trở lại. Khoảng độ sâu 1050 km là ranh giới của vùng chuyển tiếp. Một lớp vỏ dày khoảng 24-72km có trên bề mặt sao Hỏa.

Từ các quan sát mà tàu quỹ đạo, kết quả phân tích mẫu thiên thạch Sao Hỏa có được mà các nhà khoa học chỉ ra rằng đá bazan là thành phần chủ yếu của bề mặt Sao Hỏa. Một số chứng cứ khác chỉ ra rằng có một số nơi trên bề mặt Sao Hỏa giàu silic hơn bazan và có thể giống với đá andesit ở trên Trái Đất. Các chứng cứ này cũng có thể được giải thích bởi sự có mặt của silic dioxide (silica glass). Phần lớn bề mặt của sao này được bao phủ một lớp bụi mịn, dày của sắt(III) oxide.

Tuy rằng người ta không tìm thấy sự hoạt động của một từ trường trên sao Hỏa nhưng những quan sát cũng chỉ ra là có hiện tượng từ hóa của nhiều phần trên lớp vỏ hành tinh và sự đảo ngược cực từ luân phiên đã từng xảy ra trong quá khứ. Các đặc điểm cổ từ học đối với các khoáng chất dễ bị từ hóa này có tính chất tương tự với các dải vằn từ luân phiên hau trên nền đại dương của Trái Đất. Năm 1999, một lý thuyết được công bố và được tái kiểm tra vào tháng 10/2005 ( từ những dữ liệu từ tàu Mars Global Surveyor cung cấp) mà chỉ ra rằng các dải này thể hiện hoạt động kiến tạo mảng trên Sao Hỏa khoảng 4 tỷ năm trước. Đây là thời điểm trước khi sự vận động dynamo của hành tinh bị suy giảm và dẫn đến từ trường toàn cầu bao quanh sao Hỏa mất hoàn toàn.

Các quá trình vận động ngẫu nhiên đĩa tiền hành tinh, trong thời gian hình thành hệ Mặt Trời, đã tạo ra sao Hỏa từ đĩa tiền hành tinh quay quanh Mặt Trời. Do vị trí đặc biệt trong hệ nên Sao Hỏa có nhiều đặc trưng hóa học khác biệt. So với Trái Đất thì các nguyên tố với điểm sôi tương đối thấp như clo, phosphor và lưu huỳnh trên sao Hỏa có mặt nhiều hơn. Trong giai đoạn hình thành Thái Dương hệ, các nguyên tố này có khả năng đã bị đẩy khỏi những vùng gần Mặt Trời bởi gió Mặt Trời.

Sau khi hệ MT được hình thành, tạo nên các hành tinh thì tất cả đều chịu các đợt bắn phá lớn của các thiên thạch (“Late Heavy Bombardment”). Người ta ước tính, chứng tích những đợt va chạm trong thời kỳ này còn tồn tại trên khoảng 60% bề mặt Sao Hỏa. Phần bề mặt còn lại có khả năng thuộc về một lòng chảo va chạm rộng lớn hình thành trong thời gian đó. Chứng tích là ở bán cầu bắc Sao Hỏa có một lòng chảo va chạm khổng lồ, dài khoảng 10.600 km và rộng 8.500 km. Kích thước này lớn hơn gần 4 lần lòng chảo cực nam Aitken của Mặt Trăng, lòng chảo lớn nhất từng được phát hiện. Các nhà thiên văn nhận định rằng trong thời kỳ này, cách nay bốn tỷ năm, Sao Hỏa đã bị va chạm với một thiên thể kích cỡ có thể to bằng với Sao Diêm Vương. Sự kiện này được xem là lý do gây nên sự khác biệt về địa hình giữa bán cầu bắc và bán cầu nam của hành tinh, tạo nên lòng chảo Borealis bao phủ 40% diện tích bề mặt sao Hỏa.

Sao Hỏa có lịch sử địa chất có thể tách ra thành nhiều chu kỳ nhưng hầu như tóm gọn lại theo ba giai đoạn lớn sau:

• Kỷ Noachis (đặt tên theo Noachis Terra): Cách nay từ 4,5 tỷ năm đến 3,5 tỷ năm trước, là giai đoạn hình thành những bề mặt cổ nhất hiện còn tồn tại trên Sao Hỏa. Đã có nhiều cú xa chạm lớn cày xới bề mặt hành tinh ở thời kỳ này. Đây cũng có thể là thời kỳ mà cao nguyên Tharsis, cao nguyên núi lửa đã hình thành. Cuối thời kỳ này, bề mặt hành tinh bị bao phủ bởi các trận lụt lớn.

• Kỷ Hesperia (đặt tên theo Hesperia Planum): Thời gian khoảng 3,5 tỷ năm đến 2,9–3,3 tỷ năm trước. Sự hình thành và mở rộng của những đồng bằng nham thạch núi lửa đánh dấu giai đoạn này.

• Kỷ Amazon (đặt tên theo Amazonis Planitia): Khoảng từ 2,9–3,3 tỷ năm trước đến ngày nay. Có thể trong thời kỳ này bề mặt hành tinh chịu một số ít các hố va chạm thiên thạch và đặc tính của những hố va chạm khá đa dạng. Trong kỷ này, ngọn núi Olympus Mons được hình thành cùng với các dòng nham thạch ở khắp nơi trên Sao Hỏa.

Hiện tại vẫn còn một số hoạt động địa chất diễn ra trên hành tinh Đỏ. Khu vực thung lũng Athabasca (Athabasca Valles) có các vỉa dung nham với niên đại có thể lên tới 200 triệu năm (Mya). Thời điểm 20 Mya, nước chảy trong những địa hào (graben) dọc ở vùng Cerberus đã diễn ra, có thể liên quan về sự xâm thực của mac ma núi lửa trong thời gian gần đây. Ảnh chụp từ tàu Mars Reconnaissance Orbiter ngày 19/2/2008 đã cho thấy chứng cứ về vụ sạt lở đất đá từ một vách núi cao 700 m.

Đất trên sao Hỏa

Những dữ liệu được gửi từ Tàu đổ bộ Phoenix về cho thấy đất trên Sao Hỏa có tính kiềm yếu và chứa nhiều nguyên tố như magiê, natri, kali và clo. Trên Trái Đất cũng tìm thấy những dưỡng chất trong đất canh tác và chúng cần thiết cho sự phát triển của thực vật. Tàu đổ bộ đã thực hiện các thí nghiệm khác nhau để đưa ra kết luận đất của Sao Hỏa có độ base pH bằng 8,3 đồng thời chứa dấu vết của muối perchlorat.

Trên khắp bề mặt sao Hỏa thường xuất hiện khe đất hẹp (streak). Những cái khe mới thường thấy ở những sườn dốc của các hố va chạm, trũng hẹp và thung lũng. Ban đầu, khe đất hẹp ban đầu có màu tối và nó bị nhạt màu dần theo thời gian. Đôi khi những rãnh này có mặt ở trong một vùng nhỏ hẹp rồi sau đó chúng bắt đầu kéo dài ra hàng trăm mét. Người ta cũng quan sát thấy khe rãnh hẹp ở cạnh của các tảng đá lớn và các chướng ngại vật trên đường lan rộng của chúng. Những lý thuyết đa phần cho rằng các khe rãnh hẹp có màu tối bởi vì chúng nằm ở dưới các lớp đất sau đó bị lộ ra bề mặt bởi tác động của quá trình sạt nở đất của bụi sáng màu hay các trận bão bụi. Bên cạnh đó có những cách khai thích khác, đi trực tiếp vào nhận định có sự tham gia của nước hay có khả năng là sự sinh trưởng của các tổ chức sống tác động đến.

Thủy văn

Ảnh vi mô chụp bởi robot Opportunity về dạng kết hạch màu xám của khoáng vật hematit, ám chỉ sự tồn tại trong quá khứ của nước lỏng

Hiện tại, do áp suất khí quyển của Sao Hỏa rất thấp nên nước lỏng không thể tồn tại trên bề mặt của nó, ngoại trừ một số nơi có cao độ thấp nhất trong một chu kỳ ngắn. Có khả năng, hai mũ băng ở các cực chứa một lượng lớn nước tuy nhiên chưa thể chắc chắn. Nếu bị tan chảy, dự đoán thể tích của nước băng ở mũ băng cực nam có thể đủ bao phủ toàn bộ bề mặt hành tinh này với độ dày khoảng 11 mét. Tầng băng vĩnh cữu có lớp manti mở rộng từ vùng cực đến vĩ độ khoảng 60°.

Có khả năng nằm ẩn dưới băng quyển dày của Sao Hỏa là một lượng lớn nước băng. Từ dữ liệu radar mà tàu Mars Express và Mars Reconnaissance Orbiter gửi về, đã chỉ ra trữ lượng lớn nước băng ở hai cực (tháng 7/2005) và ở một số vùng vĩ độ trung bình (tháng 11/008). Ngày 31/7/2008, khi đổ bộ lên sao Hỏa, tàu Phoenix đã trực tiếp lấy được mẫu nước băng trong lớp đất nông.

Dựa theo địa mạo trên sao Hỏa, người ta có niềm tin mạnh mẽ rằng có thời điểm nước lỏng đã từng tồn tại trên bề mặt của nó. Cụ thể, dữ liệu tìm thấy rằng những mạng lưới thưa khổng lồ phân tán trên bề mặt được gọi là thung lũng chảy thoát (outflow channels), xuất hiện ở 25 vị trí trên bề mặt hành tinh. Điều này được coi là dấu tích của sự xâm thực diễn ra trong thời kỳ đại hồng thủy giải phóng nước lũ từ tầng chứa nước dưới bề mặt. Bên cạnh đó, có một số đặc điểm cấu trúc này được giả thuyết là do kết quả của tác động từ băng hà hoặc dung nham núi lửa. Trong thời gian gần đây thì những con kênh trẻ nhất có thể hình thành với chỉ vài triệu năm tuổi. Ở các nơi khác, đặc biệt là vùng cổ nhất trên bề mặt sao Hỏa, ở tỷ lệ nhỏ hơn thì những mạng lưới thung lũng (networks of valleys) hình cây trải rộng trên một tỷ lệ diện tích lớn của cảnh quan địa hình. Các thung lũng đặc trưng này và sự phân bố của chúng như cho thấy rằng chúng hình thành từ các dòng chảy mặt – hệ quả của những trận mưa hay tuyết rơi trong giai đoạn sớm trước đây của lịch sử Sao Hỏa. Có khả năng là, sự vận động của dòng nước ngầm và sự thoát của nó (groundwater sapping) đóng một vai trò phụ quan trọng trong một số mạng lưới tuy nhiên lượng mưa có thể là nguyên nhân gây ra những khe rãnh trong mọi trường hợp.

Trên sao Hỏa cũng phát hiện hàng nghìn đặc điểm dọc các hố va chạm và hẻm vực tương tự như với các khe xói (gully) trên Trái Đất. Những khe xói này có xu hướng xuất hiện trên các cao nguyên ở bán cầu nam và gần xích đạo. Một số nhà khoa học chia sẻ giả thuyết là quá trình hình thành của chúng đòi hỏi có sự tham gia của nước lỏng, khả năng đến từ sự tan chảy của băng. Nhưng có một số người khác lại cho rằng cơ chế hình thành có sự tham gia của lớp băng cacbon dioxide vĩnh cửu hoặc do sự chuyển động của bụi khô. Quá trình phong hóa không là nguyễn nhân dẫn đến hình thành biến dạng của các khe xói và không có một hố va chạm nào xuất hiện trên những khe xói. Từ đó người ta nhận định những đặc điểm này còn rất trẻ, thậm chí các khe xói được hình thành chỉ trong những ngày gần đây.

Ngoài ra, sao Hỏa còn có các đặc trưng địa chất khác ví dụ như châu thổ và quạt bồi tích (alluvial fans) tồn tại trong các miệng hố lớn. Đặc điểm này cũng là bằng chứng mạnh về những điều kiện nóng hơn, ẩm ướt hơn trên bề mặt xuất hiện trong một số thời điểm ở giai đoạn lịch sử ban đầu của Hỏa Tinh. Những điều kiện này cũng yêu cầu cần sự có mặt của các hồ nước lớn phân bố trên diện rộng của bề mặt sao Hỏa, mà ở những hồ này cũng có các bằng chứng độc lập về khoáng vật học, trầm tích học và địa mạo học. Một số giả thuyết được các nhà khoa học lập luận rằng ở một số thời điểm trong quá khứ, nhiều đồng bằng thấp ở bán cầu bắc của Hỏa Tinh đã thực sự bị bao phủ bởi những đại dương sâu hàng trăm mét, mặc dù vậy vấn đề này vẫn còn nhiều tranh luận.

Việc nước lỏng có thể đã từng tồn tại trên bề mặt Sao Hỏa còn dựa theo các dữ kiện như xác định được những chất khoáng đặc biệt như hematit và goethit, cả hai đôi khi được hình thành trong sự có mặt của nước lỏng. Trước đây có một số chứng cứ được cho là ám chỉ sự tồn tại của các đại dương và các con sông cổ nhưng đã bị phủ nhận do việc nghiên cứu từ các bức ảnh độ phân giải cao từ tàu Mars Reconnaissance Orbiter đã cho thấy điều khác. Năm 2004, robot Opportunity phát hiện khoáng chất jarosit. Khoáng chất này tuyệt đối chỉ hình thành trong môi trường nước a xít. Thêm một biểu hiện của việc nước lỏng đã từng tồn tại trên Sao Hỏa.

Chỏm băng ở các cực

Ở các cực sao Hỏa có hai chỏm băng vĩnh cửu. Thời điểm mùa đông tràn đến một cực, chỏm băng sẽ nằm trong bóng tối liên tục, bề mặt bị đông lạnh và gây ra sự tích tụ của 25–30% bầu khí quyển thành những phiến băng khô CO2. Vào lúc vùng cực chuyển sang mùa hè, các chỏm băng lại bị chiếu liên tục bởi ánh sáng Mặt Trời, băng khô CO2 thăng hoa, tạo thành những cơn gió khổng lồ quét qua vùng cực với tốc độ 400 km/h. Các hoạt động theo mùa này đã vận chuyển lượng lớn bụi và hơi nước, tạo ra những đám mây ti lớn, băng giá giống như trên Trái Đất. Năm 2004, robot Opportunity chụp được những đám mây băng giá này.

Nước đóng băng là thành phần chính của hai chỏm băng ở cực. Cacbon dioxide đóng băng thành một lớp tương đối mỏng và dày khoảng 1 mét trên bề mặt chỏm băng cực bắc chỉ trong thời gian mùa đông. Ở chỏm băng cực nam thì lại có lớp băng khô cacbon dioxide vĩnh cửu dày tới 8 mét. Đường kính chỏm băng cực bắc khoảng 1.000 kilômét trong thời gian mùa hè ở bán cầu bắc Sao Hỏa đồng thời chứa khoảng 1,6 triệu km khối băng. Có thể tưởng tượng, nếu trải đều khối băng ra thì chỏm băng này dày khoảng 2 km ( thể tích lớp phủ băng ở Greenland khoảng 2,85 triệu km³.) Đường kính chỏm băng cực nam khoảng 350 km và dày tới 3 km. Cộng tổng thể tích của chỏm băng cực nam với lượng băng tàng trữ ở những lớp kế tiếp ước tính là vào khoảng 1,6 triệu km³. Những rãnh băng hà hình xoắn ốc xuất hiện ở cả trên hai cực mà các nhà khoa học cho rằng chúng được hình thành từ sự nhận được lượng nhiệt Mặt trời khác nhau theo từng nơi, kết hợp với sự thăng hoa của băng và tích tụ của hơi nước.

Ở một số vùng gần chỏm băng cực nam, sự đóng băng theo mùa làm hình thành nên một lớp băng khô (hoặc tấm) trong suốt trên bề mặt dày khoảng 1 mét. Thời điểm mùa xuân, những vùng này sẽ ấm dần lên, do sự thăng hoa của CO2 tạo ra áp suất dưới lớp băng khô, đẩy lớp này căng lên và cuối cùng phá bung nó ra. Kết quả là sự hình thành những mạch phun trên Sao Hỏa ở cực nam (Martian geyser) có chứa hỗn hợp khí CO2 với bụi hoặc cát bazan đen. Tốc độ diễn ra quá trình này nhanh chóng, theo kết quả quan sát được từ các tàu quỹ đạo trong không gian thì tốc độ thay đổi chỉ diễn ra trong vài ngày, tuần hoặc tháng So với các hiện tượng địa chất khác thì tốc độ này rất nhanh, đặc biệt đối với hành tinh như Sao Hỏa. Ánh sáng Mặt Trời xuyên qua lớp băng khô trong suốt, làm ấm lớp vật liệu tối ở bên dưới, tạo ra áp suất đẩy khí lên tới 161 km/h qua những vị trí băng mỏng. Phía dưới những phiến băng, khí làm xói mòn nền đất, giật các hạt cát lỏng lẻo và tạo ra các hình thù giống mạng nhện bên dưới lớp băng.

Địa lý

Johann Heinrich Mädler và Wilhelm Beer là hai người đầu tiên vẽ bản đồ Sao Hỏa. Hai người họ đã nhận ra rằng phần lớn đặc điểm trên bề mặt hành tinh này là vĩnh cửu và dựa theo đó đã xác định được một cách chính xác chu kỳ tự quay của sao Hỏa. Năm 1840, sau 10 năm quan sát, Mädler kết hợp lại thành quả để vẽ ra tấm bản đồ địa hình đầu tiên trên sao Hỏa. Beer và Mädler không đặt tên cho những vị trí đặc trưng, họ đơn giản chỉ gán chữ cho chúng như Vịnh Meridiani (Sinus Meridiani) được đặt tên với chữ “a.”

Ngày nay người ta dùng nhiều nguồn khác nhau để đặt tên các đặc điểm trên sao Hỏa. Tên trong thần thoại được đặt cho những đặc điểm theo suất phản chiếu quang học. Tên các nhà khoa học, văn chương, những người có đóng góp trong việc nghiên cứu sao Hỏa được đặt cho các hố lớn hơn 60 km nhằm tưởng nhớ họ. Tên các thị trấn và ngôi làng trên Trái Đất với dân số nhỏ hơn 100.000 người được dùng để đặt cho những hố nhỏ hơn 60 km. Từ “Sao Hỏa” và các ngôi sao trong nghĩa của các ngôn ngữ khác nhau được dùng đặt thên cho những thung lũng lớn còn tên các con sông đặt cho những thung lũng nhỏ.

Có nhiều tên gọi cũ gọi những đặc điểm có suất phản chiếu hình học lớn (albedo) nhưng thường được thay đổi để phản ánh các thông tin hiểu biết mới về bản chất của đặc điểm. Ví dụ, tên gọi Nix Olympica (tuyết ở ngọn Olympus) được đổi thành Olympus Mons (núi Olympus). Khi quan sát từ Trái Đất, bề mặt Sao Hỏa được chia ra thành loại vùng có suất phản chiếu hình học khác nhau. Những đồng bằng nhạt màu bao phủ bởi cát và bụi trong màu đỏ của sắt oxide đã từng được cho là các ‘lục địa’ đồng thời được đặt tên như Arabia Terra (vùng đất Ả Rập) và Amazonis Planitia (đồng bằng Amazon). Các biển là những vùng tối màu như Mare Erythraeum (biển Erythraeum), Mare Sirenum và Aurorae Sinus. Khi nhìn từ Trái Đất, vùng tối lớn nhất là Syrtis Major Planum. Chỏm băng vĩnh cửu cực bắc được đặt tên lần lượt là Planum Boreum và Planum Australe.

Sao Hỏa có xích đạo được xác định bởi sự tự quay của nó tuy vậy thì vị trí của kinh tuyến gốc được quy ước cụ thể tương tự như kinh tuyến Greenwich của Trái Đất. Năm 1830, Mädler và Beer sử dụng cách lựa chọn một điểm bất kỳ và đã chọn lấy một đường trong bản đồ đầu tiên của họ về sao Hỏa. Năm 1972, dựa theo những bức ảnh về bề mặt hành tinh này được tàu Mariner 9 cung cấp thêm thì một miệng hố nhỏ (sau này gọi là Airy-0), vị trí thuộc trong Sinus Meridiani (“vịnh Kinh Tuyến”), được chọn làm định nghĩa cho kinh độ 0,0° để phù hợp với lựa chọn ban đầu của hai ông.

Sao Hỏa không có đại dương nên không có ‘mực nước biển’ do đó các nhà khoa học phải lựa chọn một bề mặt có cao độ bằng 0 giống như mực nước biển để làm bề mặt tham chiếu. Mặt này được gọi là areoid của Sao Hỏa giống như geoid của Trái Đất. Ở độ cao mà áp suất khí quyển Hỏa Tinh bằng 610,5 Pa (6,105 mbar) được xác định là cao độ 0. Áp suất này tương ứng với điểm ba trạng thái của nước, so sánh thì bằng khoảng 0,6% áp suất tại mực nước biển trên Trái Đất (0,006 atm). Nhờ những vệ tinh khảo sát trường hấp dẫn của Trái Đất và Sao Hỏa mà ngày nay, mặt geoid hay areoid được xác định một cách chính xác.

Ảnh màu gần đúng về miệng hố Victoria, chụp bởi robot tự hành Opportunity. Nó được chụp trong thời gian ba tuần từ 16 tháng 10 – 6 tháng 11 năm 2006.

Địa hình va chạm

Có hai điểm được xác định khác biệt trên địa hình sao hỏa là: vùng đồng bằng bắc bán cầu thì bằng phẳng do tác động của dòng chảy dung nham còn bán cầu năm thì có các vùng cao nguyên, những hố va chạm cổ. Năm 2008, một nghiên cứu cho thấy chứng cứ ủng hộ lý thuyết đề xuất năm 1980 rằng: vào thời điểm khoảng bốn tỷ năm trước, một thiên thể kích cỡ một phần mười đến một phần ba Mặt Trăng đã đâm bào bán cầu bắc của Sao Hỏa. Nếu đề xuất này chính xác thì bán cầu bắc Sao Hỏa sẽ có một hố va chạm với chiều dài tới 10.600 km và rộng tới 8.500 km ( gần bằng tổng diện tích của châu u, châu Á và lục địa Australia). Hố va chạm này sẽ vượt qua diện tích của lòng chảo cực nam Aitken – khu vực đang được coi là lòng chảo va chạm lớn nhất trong hệ Mặt Trời hiện nay.

Người ta tìm thấy khoảng 43.000 hố với đường kính lớn hơn hoặc bằng 5 km trên bề mặt sao Hỏa. Lòng chảo va chạm Hellas là hố lớn nhất được công nhận, nó có đặc trưng suất phản chiếu hình học và từ Trái Đất có thể quan sát rõ. Bởi vì kích thước và khối lượng nhỏ hơn Trái Đất, nên xác suất để một vật thể va chạm vào sao Hỏa bằng khoảng một nửa so với Địa Cầu. Bên cạnh đó, vị trí nằm gần vành đai tiểu hành tinh hơn nên khả năng hành tinh Đỏ bị những vật thể từ nơi này va chạm vào là cao hơn. Sao Hỏa cũng bị các sao chổi chu kỳ ngắn va vào với khả năng lớn bởi những sao chổi này nằm gần bên trong quỹ đạo của Sao Mộc. Tuy nhiên, so với Mặt Trăng thì hố va chạm trên Sao Hỏa vẫn ít hơn nhiều bởi vì bầu khí quyển mỏng của nó cũng góp phần bảo vệ những thiên thạch nhỏ chạm tới bề mặt. Nghiên cứu được một số hố va chạm có hình thái khác nhau chỉ ra rằng chúng bị ẩm ướt sau một thời gian thiên thạch va chạm xuống bề mặt.

Những vùng kiến tạo

Chiều cao của núi lửa hình khiên Olympus Mons lên tới 27 km. Trong hệ Mặt Trời, nó là ngọn núi cao nhất. Ngọn núi lửa này đã tắt, vị trí nằm trong vùng cao nguyên rộng lớn Tharsis (vùng này chứa một vài ngọn núi lửa lớn khác). So với núi Everest Olympus Mons cao gấp ba lần, với chiều cao trên 8,8 km. Một điểm được chú ý là ngoài các hoạt động kiến tạo, kích thước của hành tinh cũng giới hạn cho chiều cao của những ngọn núi trên bề mặt của nó.

4.000km chiều dài, sâu khoảng 7km là thông số của hẻm vực lớn Valles Marineris (tiếng Latin của thung lũng Mariner, hay còn gọi là Agathadaemon trong những tấm bản đồ kênh đào Sao Hỏa cũ). Chiều dài của Valles Marineris có khả năng bằng với chiều dài của châu u và chiếm tới một phần năm chu vi của Sao Hỏa. Trên Trái đất có hẻm núi Grand Canyon chiều dài 446 km và sâu gần 2 km. Do sự trồi lên của vùng cao nguyên Tharsis làm cho lớp vỏ hành tinh ở vùng Valles Marineris bị tách giãn và sụt xuống mà hình thành nên Valles Marineris. Năm 2012, người ta giả thuyết rằng vùng thung lũng không chỉ là một dải đất hẹp mà còn là một mảng có chuyển động nằm ngang ở vị trí ranh giới 150 km, làm cho Sao Hỏa trở thành hành tinh có khả năng sắp xếp 2 vùng kiến ​​tạo. Ma’adim Vallis (Ma’adim trong tiếng Hebrew là Sao Hỏa) là một hẻm vực lớn khác với chiều dài 700 km và chiều rộng 20 km và độ sâu 2 km ở một số vị trí (bề rộng lớn hơn Grand Canyon). Dự đoán trong quá khứ Ma’adim Vallis có thể đã bị ngập bởi nước lũ.

Hang động

Ảnh chụp từ thiết bị THEMIS về một số hang trên bề mặt Hỏa Tinh. Những hang này được đặt tên không chính thức là (A) Dena, (B) Chloe, (C) Wendy, (D) Annie, (E) Abby (trái) và Nikki, và (F) Jeanne.

Từ ảnh chụp được thiết bị THEMIS trên tàu Mars Odyssey của NASA ghi lại đã cho thấy trên sườn núi lửa Arsia Mons dường như có tới 7 cửa hang động. Người ta tạm thời dùng tên những người phát hiện ra các hàng này để đặt tên cho chúng và đôi khi còn được gọi là “bảy chị em.” Bề rộng của cửa vào hang từ 100 m tới 252 m và chiều sâu ít nhất từ 73 m tới 96 m. Do ánh sáng không thể chiếu tới đáy của hầu hết các hang nên các nhà thiên văn cho rằng so với giá trị ước lượng chúng có thể có chiều sâu thực tế lớn hơn và rộng hơn ở trong hang. Nhưng có một hang ngoại lệ là Hang “Dena”; có thể quan sát thấy đáy của nó do đó chiều sâu của nó xác định bằng 130 m. Bên trong các hang này có thể giúp tránh khỏi tác động từ những thiên thạch nhỏ, bức xạ cực tím, gió Mặt Trời và những tia vũ trụ năng lượng cao bắn phá xuống sao Hỏa.

Khí quyển

Từ quyển của sao Hỏa đã mất từ 4 tỷ năm trước do đó gió Mặt Trời tương tác trực tiếp đến tầng điện li của hành tinh và dần dần tước đi các nguyên tử ở lớp ngoài cùng của bầu khí quyển dẫn đến giảm mật độ khí quyển. Hai tàu Mars Global Surveyor và Mars Express đã thu nhận được những hạt bị ion hóa từ khí quyển khi chúng đang thoát vào không gian. Khí quyển sao Hỏa khá loãng nếu so với Trái Đất. Tại bề mặt, áp suất khí quyển thay đổi từ 30 Pa (0,030 kPa) ở ngọn Olympus Mons tới 1.155 Pa (1,155 kPa) ở lòng chảo Hellas Planitia, và áp suất trung bình bằng 600 Pa (0,600 kPa). Chỉ số áp suất lớn nhất trên sao Hỏa nếu so với Trái Đất thì bằng với áp suất ở các điểm có độ cao 35 km. Con số này lại nhỏ hơn 1% áp suất trung bình tại bề mặt Trái Đất (101,3 kPa). Tỉ lệ độ cao (scale height) của khí quyển Trái Đất (bằng 6 km) còn Sao Hỏa bằng 10,8 kmbởi vì gia tốc hấp dẫn bề mặt Sao Hỏa chỉ bằng 38% của Trái Đất. Đồng thời, so với trên Trái Đất, nhiệt độ trung bình trong khí quyển Sao Hỏa thấp hơn còn khối lượng trung bình của các phân tử thì lại cao hơn 50%.

Sao Hỏa có bầu khí quyển chứa 95% cacbon dioxide, 3% nitơ, 1,6% argon và chứa dấu vết của oxy và hơi nước. Khí quyển của hành tinh đỏ khá là bụi bặm, chứa các hạt bụi đường kính khoảng 1,5 µm làm cho bầu trời Sao Hỏa có màu vàng nâu nếu đứng nhìn từ bề mặt của nó.

Bản đồ methan

Trong khí quyển của sao Hỏa, Methan được phát hiện với tỷ lệ mol vào khoảng 30 ppb. Nó xuất hiện theo các luồng mở rộng và ở các vị trí rời rạc khác nhau. Ở bán cầu bắc, vào giữa mùa hè, luồng chính chứa tới 19.000 tấn methan, các nhà thiên văn ước chừng cường độ ở nguồn vào khoảng 0,6 kilôgam/s. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng có hai nguồn chính phát ra methan, nguồn đầu tiên gần tọa độ 30° B, 260° T và nguồn thứ hai gần tọa độ 0° B, 310° T. Ước tính từ các nhà khoa học thì trong 1 năm, Sao Hỏa sản sinh ra khoảng 270 tấn methan.

Nghiên cứu cũng cho thất, để lượng methan phân hủy cần khoảng thời gian có thể là bằng 4 năm hoặc ngắn bằng 0,6 năm Trái Đất. Sự phân hủy nhanh chóng và lượng methan được bổ sung thể hiện rằng có các nguồn còn hoạt động đang giải phóng lượng khí này. Các hoạt động núi lửa, sao chổi rơi xuống đồng thời có thể sự có mặt của các dạng sống vi sinh vật đã sản sinh ra methan. Quá trình vô cơ cũng có thể sinh ra methan như sự serpentin hóa (serpentinization) với sự tham gia của nước, cacbon dioxide và khoáng vật olivin, nó tồn tại khá phổ biến trên Sao Hỏa.

Khí hậu

Khí hậu Sao Hỏa có các mùa gần giống với Trái Đất nhất trong hệ Mặt Trời bởi vì có sự gần bằng về độ nghiêng của trục tự quay ở hai hành tinh. Các mùa trên hành tinh đỏ có độ dài bằng khoảng hai lần trên Trái Đất. Có sự khác biệt này là bởi vì khoảng cách từ hành tinh này đến Mặt Trời lớn hơn do đó một năm trên sao Hỏa bằng khoảng hai năm Trái Đất. Dao động nhiệt độ sao Hỏa từ rất thấp -87 °C trong thời gian mùa đông ở các cực cho đến -5 °C vào mùa hè. Lý do xuất hiện biên độ nhiệt độ lớn như vậy là vì bầu khí quyển quá mỏng nên nó không thể giữ lại được nhiệt lượng từ Mặt Trời đồng thời là do áp suất khí quyển thấp cùng với tỉ số thể tích nhiệt rung riêng (thermal inertia) của đất Sao Hỏa thấp. So với Trái Đất, Hỏa tinh nằm vị trí xa Mặt Trời gấp 1,52 lần nên nó chỉ nhận được khoảng 43% lượng ánh sáng so với Trái Đất.

Trường hợp Sao Hỏa mà nằm vào quỹ đạo của Trái Đất, hành tinh sẽ có các mùa giống với trên địa cầu bởi vì độ lớn góc nghiêng trục quay hai hành tinh này giống nhau. Một tác động quan trọng dẫn đến sự sai khác là do độ lệch tâm quỹ đạo tương đối lớn của nó. Thời điểm Hỏa Tinh gần cận điểm quỹ đạo thì ở phần bán cầu bắc là mùa đông và bán cầu nam là mùa hè còn người lại khi nó gần viễn điểm quỹ đạo. Ở bán cầu nam, các mùa diễn ra khắc nghiệt hơn so với bán cầu bắc. Ở bán cầu nam nhiệt độ trong mùa hè có thể cao hơn tới 30 °C (86 °F) khi so với mùa hè ở bán cầu bắc.

Trong hệ Mặt Trời thì sao Hỏa có những trận bão bụi lớn nhất. Chúng có khả năng biến đổi từ một cơn bão trong một vùng nhỏ cho đến biến thành cơn bão khổng lồ bao phủ toàn bộ hành tinh. Khi Sao Hỏa nằm gần Mặt Trời thì thường xuất hiện những trận bão bụi và khi đó do tác động của bão bụi, nhiệt độ toàn cầu cũng tăng lên.

Quỹ đạo và chu kỳ quay

Từ sao Hỏa đến Mặt Trời có khoảng cách trung bình là khoảng 230 triệu km (1,5 AU). Chu kỳ quỹ đạo của hành tinh này bằng 687 ngày Trái Đất. Ngày mặt trời (viết tắt sol) trên Sao Hỏa thì hơi dài hơn ngày Trái Đất và con số cụ thể ước tính là bằng: 24 giờ, 39 phút, và 35,244 giây. Một năm Sao Hỏa = 1,8809 năm Trái Đất; cụ thể là 1 năm, 320 ngày, và 18,2 giờ.

Vì độ nghiêng trục quay bằng 25,19 độ và gần bằng với độ nghiêng trục quay của Trái Đất nên các mùa trên sao Hỏa gần giống Trái Đất. Dù thời gian của chúng kéo dài gần gấp đôi trong năm dài hơn. Hiện tại hướng của cực bắc Hỏa Tinh nằm gần với ngôi sao Deneb. vào Tháng 3/2011, Sao Hỏa đã vượt qua cận điểm quỹ đạo và tháng 2/2012, nó đã vượt qua viễn điểm quỹ đạo.

Độ lệch tâm của sao Hỏa tương đối lớn, ước tính khoảng 0,09; chỉ thua độ lệch tâm của Sao Thủy trong hệ Mặt Trời. Các nhà khoa học chia sẻ rằng so với bây giờ, trong quá khứ Sao Hỏa có quỹ đạo tròn hơn. Ở thời điểm cách đây khoảng 1,35 triệu năm Trái Đất, Sao Hỏa có độ lệch tâm gần bằng 0,002, so với TĐ ngày nay thì nhỏ hơn nhiều. Chu kỳ lệch tâm của Trái Đất bằng 100.000 năm còn chu kỳ độ lệch tâm của Sao Hỏa bằng 96.000 năm Trái Đất. Có thời điểm, Sao Hỏa từng có chu kỳ lệch tâm bằng 2,2 triệu năm Trái Đất. Thời điểm trong vòng 35.000 năm trước đây, do ảnh hưởng hấp dẫn từ những hành tinh khác mà quỹ đạo Sao Hỏa trở lên elip hơn. Trong vòng 25.000 năm tới, khoảng cách gần nhất giữa Trái Đất và Sao Hỏa sẽ giảm nhẹ dần.

Vệ tinh tự nhiên

Phobos và Deimos là hai vệ tinh tương đối nhỏ của Sao Hỏa. Chúng quay quanh trên những quỹ đạo khá gần hành tinh này. Có một lý thuyết được nhiều người quan tâm về tiểu hành tinh bị sao Hỏa bắt giữ tuy nhiên thì nguồn gốc của lý thuyết đó vẫn còn nhiều bí ẩn. Vào năm 1877, nhà thiên văn học Asaph Hall đã phát hiện ra 2 vệ tinh tự nhiên trên và ông dùng tên nhân vật trong thần thoại Hy Lạp là Phobos (đau đớn/sợ hãi) và Deimos (kinh hoàng/khiếp sợ) đặt tên cho chúng. Hai nhân vật này là con của Ares trong thần thoại La Mã tên là Mars mà đây là tên vị thần được người La Mã dùng đặt cho Sao Hỏa.

Nhìn từ sao Hỏa, so với Mặt Trăng thì chuyển động của Phobos và Deimos hiện lên rất khác lạ. Phobos mọc lên ở phía tây, lặn ở phía đông sau đó sau 11 giờ lại mọc lên. Deimos nằm ngay bên ngoài quỹ đạo khóa thủy triều ( ở khu vực đó chu kỳ quỹ đạo bằng với chu kỳ tự quay của hành tinh), nó mọc lên ở phía đông nhưng tốc độ rất chậm. Mặc dù chu kỳ quỹ đạo của Deimos bằng 30 giờ nhưng nó phải mất 2,7 ngày để lặn ở phía tây vào thời điểm mà nó chậm dần đi về phía sau sự quay của Sao Hỏa rồi khá lâu sau đó phải mới mọc trở lại.

Do quỹ đạo của Phobos thuộc phía bên trong quỹ đạo đồng bộ nên lực thủy triều từ sao Hỏa đang dần dần hút vệ tinh này về phía nó. Dự đoán, trong thời gian chưa đầy 50 triệu năm nữa thì vệ tinh này sẽ đâm xuống bề mặt Sao Hỏa hoặc có thể sẽ bị phá tan thành một cái vành bụi và quay quanh hành tinh.

Hiện vẫn chưa tìm hiểu rõ được nguồn gốc của hai vệ tinh tự nhiên của sao Hỏa này. Người ta ủng hộ lý thuyết tiểu hành tinh bị bắt dựa theo bằng chứng về đặc tính suất phản chiếu hình học thấp và thành phần cấu tạo bằng “thiên thạch hạt chứa than” (carbonaceous chondrite) của chúng tương tự với tính chất của các tiểu hành tinh. Phobos có quỹ đạo không ổn định có khả năng là một chứng cứ khác thể hiện rằng nó bị bắt trong khoảng thời gian khá gần với ngày nay. Mặc dù vậy thì cả hai vệ tinh có quỹ đạo tròn, xét về mặt phẳng quỹ đạo rất gần với mặt phẳng xích đạo hành tinh thì lại là một điều không thường thấy cho các vật thể bị bắt đồng thời nếu bị bắt thì đòi hỏi quá trình động lực bắt giữ 2 vệ tinh này rất phức tạp. Một khả năng về nguồn gốc của hai vệ tinh này là sự bồi tụ trong buổi đầu lịch sử hình thành Sao Hỏa nhưng lý thuyết này thì lại không giải thích được vì sao 2 vệ tinh có thành phần cấu tạo tương tự với các tiểu hành tinh hơn là tương tự với thành phần của hành tinh đỏ.

Người ta còn đưa ra giả thuyết về sự tham gia của một vật thể thứ ba hoặc một kiểu va chạm gây nhiễu loạn cũng có thể là một khả năng. Các dữ liệu gần đây nghiên cứu được đã cho thấy có lẽ cấu trúc bên trong vệ tinh Phobos khá rỗng. Các nhà khoa học đề xuất khoáng phyllosilicat và những loại khoáng vật khác đã có trên Sao Hỏa có lẽ là thành phần chính của vệ tinh này. Đồng thời họ chỉ ra trực tiếp rằng Phobos có lẽ có nguồn gốc từ các vật liệu bắn ra từ một thiên thể khi nó va chạm với Sao Hỏa rồi sau đó tích tụ lại trên quỹ đạo quanh hành tinh này. Điều này giống như lý thuyết để giải thích cho nguồn gốc của Mặt Trăng. Các vệ tinh sao Hỏa có phổ VNIR tương tự với phổ của các tiểu hành tinh trong vành đai tiểu hành tinh nhưng Phobos lại có phổ hồng ngoại nhiệt (thermal infrared) không hoàn toàn tương thích với phổ của bất kỳ lớp khoáng vật chondrit.

Sự sống

Với những nghiên cứu hiện tại về các hành tinh có thể có sự sống – thế giới có khả năng cho sự sống phát triển và duy trì thì một trong các điều kiện sẽ là hành tinh có nước lỏng tồn tại trên bề mặt. Điều đó đòi hỏi quỹ đạo hành tinh phải nằm trong vùng ở được, nếu xét với hệ Mặt Trời hiện nay là vùng mở rộng ngày bên ngoài quỹ đạo Sao Kim đến bán trục lớn của Sao Hỏa. Ở trong thời gian mà vị trí Sao Hỏa nằm gần cận điểm quỹ đạo thì nó cũng thuộc sâu bên trong vùng ở được tuy nhiên bầu khí quyển mỏng của hành tinh (cùng với lý do áp suất khí quyển thấp) được xác định là không đủ để cho nước lỏng tồn tại trong thời gian dài và trên diện rộng. Trong quá khứ, các dòng chảy của nước lỏng có thể mang lại tính ở được cho Hỏa Tinh. Hiện tại một số chứng cứ cũng cho thấy trường hợp trên bề mặt Sao Hỏa có tồn tại nước lỏng thì nó sẽ quá mặn và có tính axít cao để có thể duy trì một sự sống thông thường.

Từ quyển không có ở Sao Hỏa. Nó còn có một bầu khí quyển rất mỏng nên trên toàn bề mặt hành tinh sẽ có ít sự truyền nhiệt và không thể ngăn được tác động bắn phá của gió Mặt Trời. Áp suất của hành tinh quá thấp để duy trì nước dưới dạng lỏng ( trong trường hợp này nước sẽ lập tức thăng hoa thành dạng hơi). Gần như và có lẽ hoàn toàn không còn các hoạt động địa chất trên Sao Hỏa. Các núi lửa ngưng hoạt động đã làm ngừng sự tuần hoàn của các khoáng chất và hợp chất hóa học giữa bề mặt và khu vực bên trong hành tinh.

Có không ít bằng chứng ủng hộ rằng Sao Hỏa đã từng có những điều kiện cho sự sống phát triển hơn so với ngày nay. Nhưng câu hỏi liệu các sinh vật sống có từng tồn tại trên hành tinh hay không thì còn là bí ẩn. Giữa thập niên 1970, các tàu thăm dò Viking đã thực hiện các thí nghiệm được thiết kế riêng tại những vị trí chúng đổ bộ nhằm xác định các vi sinh vật trong đất Sao Hỏa. Kết quả thu được khá khả quan, bao gồm việc trộn những mẫu đất với nước và khoáng chất đem lại tăng tạm thời của sản phẩm CO2. Dấu hiệu thể hiện sự sống này đã gây ra tranh cãi trong cộng đồng các nhà khoa học đồng thời đề ra một vấn đề mở. Một số nhà khoa học như ông Gilbert Levin (từ NASA) cho rằng tàu Viking có thể đã tìm thấy sự sống. Từ những dữ liệu Viking gửi về đã có một cuộc phân tích lại, trong ánh sáng của hiện đại hơn về dạng sống trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt (extremophile forms), thể hiện rằng những thí nghiệm trong chương trình Viking đã không đủ độ phức tạp để xác định được những dạng sống này. Có thể trong trường hợp khác, các thí nghiệm này đã giết chết những dạng vi sinh vật (giả thuyết là chúng có tồn tại). Tàu đổ bộ Phoenix thực hiện những thí nghiệm khác và chỉ ra đất ở vị trí đáp xuống có tính kiềm pH khá cao và nó chứa magnesi, natri, kali và clo. Các chất dinh dưỡng trong đất có thể giúp phát triển sự sống tuy nhiên sự sống vẫn cần phải được bảo vệ từ những ánh sáng cực tím rất mạnh.

Một số hình dạng thú vị đã được tìm thấy trong khối vẫn thạch ALH84001 ở phòng thí nghiệm Trung tâm không gian Johnson. Một số nhà khoa học đề xuất là các hình dạng này có thể là hóa thạch của những vi sinh vật đã từng tồn tại trên Sao Hỏa trước thời điểm một một vụ chạm của thiên thạch với sao Hỏa làm những vẫn thạch này bị bắn vào không gian bởi và gửi chúng đi trong chuyến hành trình ước chừng khoảng 15 triệu năm tới Trái Đất. Họ cũng nêu ra đề xuất về nguồn gốc phi hữu cơ cho những hình dạng này.

Gần đây, những lượng nhỏ methan và fomanđêhít được xác định bởi các tàu quỹ đạo đều được coi là các dấu hiệu cho sự sống. Tuy nhiên, các hợp chất hóa học này cũng nhanh chóng bị phân hủy trong bầu khí quyển của hành tinh đỏ. Người ta cho rằng, có khả năng hoạt động địa chất hay núi lửa cũng như sự serpentin hóa của khoáng chất (serpentinization) đã bổ sung tạo ra những hợp chất này.

Dự đoán, có thể nhiệt độ bề mặt Sao Hỏa sẽ tăng từ từ theo thời gian trong tương lai. Hiện tại, hơi nước và CO2 đang đóng băng dưới regolith bề mặt và sẽ giải phóng vào khí quyển tạo nên hiệu ứng nhà kính nung nóng hành tinh cho đến khi nó đạt những điều kiện tương đương với Trái Đất ngày nay. Đây là điều kiện mà người ta dự đoán sẽ cung cấp nơi trú chân tiềm năng trong tương lai cho sinh vật trên Trái Đất.

Thám hiểm

Nhiều tàu không gian có tàu quỹ đạo, tàu đổ bộ, và robot tự hành, đã được Liên Xô, Hoa Kỳ, châu u, và Nhật Bản gửi đến Sao Hỏa bởi nhằm nghiên cứu bề mặt, khí hậu và địa chất hành tinh này. Cho đến năm 2008, chi phí cho vận chuyển vật liệu từ bề mặt Trái Đất lên bề mặt Sao Hỏa có giá xấp xỉ 309.000US$ trên một kilôgam.

Các tàu đã lên Sao Hỏa như:
2006: Mars Reconnaissance Orbiter
2003: Mars Express
2001: 2001 Mars Odyssey
2004: robot tự hành Opportunity hạ xuống bề mặt sao Hỏa.
1997–2006: Mars Global Surveyor
2004–2010: Robot tự hành Spirit

Trong giai đoạn phóng, gần ⅔ số tàu không gian được thiết kế để đến Sao Hỏa đã bị lỗi – những tàu này được phóng chủ yếu trong giai đoạn cuối thế kỷ 20. Những phi vụ trong thế kỷ 21 đã được thành công hơn nhờ công nghệ hiện đại hơn. Các lỗi trong các phi vụ hầu hết là do vấn đề kĩ thuật chẳng hạn như mất liên lạc hoặc sai lầm trong thiết kế cũng như thường do hạn chế về tài chính và thiếu năng lực trong các phi vụ. Những thất bại này khiến công chúng liên tưởng đến các điều viễn tưởng như “Tam giác Bermuda”, “Lời nguyền” Sao Hỏa, hoặc “ma cà rồng” trong thiên hà đã nuốt đi các tàu không gian này. Một số thất bại đầu thế kỷ 21 bao gồm phi vụ Beagle 2 (2003), Mars Climate Orbiter (1999), và Mars 96 (1996).

Những tàu thăm dò mất liên lạc

Ngày 14-15/7/1965, tàu Mariner 4 của NASA đã bay ngang qua Sao Hỏa thành công
Ngày 14/11/1971, tàu Mariner 9 là tàu không gian đầu tiên quay quanh một hành tinh khác khi nó đi vào quỹ đạo quanh Sao Hỏa.
1971, Mars 2 và Mars 3 của Liên Xô đổ bộ thành công xuống bề mặt là hai tàu, nhưng chỉ vài giây sau khi đổ bộ thành công cả hai đã bị mất tín hiệu liên lạc.

Năm 1975, hai tàu trong chương trình Viking của NASA được triển khai, mỗi tàu có một thiết bị đổ bộ. Năm 1976, cả hai đã đổ bộ thành công. Tàu quỹ đạo Viking 1 hoạt động 6 năm, Viking 2 hoạt động được 3 năm thì mất liên lạc. Các hình ảnh được truyền về là những bức ảnh màu toàn cảnh tại vị trí đổ bộ và bề mặt hành tinh.

Năm 1988, tàu thám hiểm Phobos 1 và 2 của Liên Xô đến sao Hỏa. Tàu 1 mất liên lạc còn tàu 2 chụp được Sao Hỏa và vệ tinh Phobos nhưng không gửi được thiết bị đổ bộ xuống bề mặt Phobos.

1992, tàu quỹ đạo Mars Observer của NASA phóng lên thất bại. Năm 1997, tàu Mars Global Surveyor đã đi vào quỹ đạo Sao Hỏa, năm 2006 mất liên lạc.

Năm 1997, NASA phóng tàu quỹ đạo Mars Pathfinder, mang theo một robot thám hiểm là Sojourner, đã đổ bộ xuống thung lũng Ares Vallis, và gửi về nhiều bức ảnh giá trị.

Ngày 25/5/2028, tàu đổ bộ Phoenix đã hạ cánh xuống vùng cực bắc Sao Hỏa. Cánh tay robot của tàu được sử dụng để đào đất và ngày 20/6 người ta xác nhận sự có mặt của băng nước. Ngày 10/11/2028 sau khi thất bại trong việc liên lạc với tàu, phi vụ này kết thúc.

Tháng 11 năm 2011, phi vụ Fobos-Grunt và Huỳnh Hỏa 1 được phóng lên trong chương trình hợp tác giữa Liên bang Nga và Trung Quốc. Nhưng tàu Fobos-Grunt đã không khởi động được động cơ đẩy sau khi nó được phóng lên quỹ đạo quanh Trái Đất. Fobos-Grunt là phi vụ gửi một tàu quỹ đạo đến Sao Hỏa đồng thời phóng một thiết bị đổ bộ xuống vệ tinh Phobos nhằm thu thập mẫu đất đá sau đó gửi về Trái Đất. Các nhà khoa học Nga đã không thể liên lạc được với tàu và khả năng con tàu sẽ rơi trở lại Trái Đất vào tháng 1 năm 2012.

Tháng 1 năm 2004, hai tàu giống nhau của NASA thuộc chương trình robot tự hành thám hiểm Sao Hỏa là Spirit (MER-A) và Opportunity (MER-B) đã đáp thành công xuống bề mặt hành tinh đỏ. Cả hai đều đã hoàn thành mục tiêu của chúng. Một trong những kết quả khoa học quan trọng nhất đó là chứng cứ thu được về sự tồn tại của nước lỏng trong quá khứ ở cả hai địa điểm đổ bộ. Bão bụi (dust devils) và gió bão đã thường xuyên làm sạch các tấm pin mặt trời ở 2 robot tự hành, do vậy hai robot có điều kiện để mở rộng thời gian tìm kiếm trên Hỏa Tinh.[152] Tháng 3 năm 2010 robot Spirit đã ngừng hoạt động sau một thời gian bị mắc kẹt trong cát.

Các tàu thăm dò còn hoạt động

Năm 2001, đi vào được quỹ đạo của sao Hỏa, tàu Mars Odyssey của NASA sử dụng phổ kế tia gamma đã phát hiện một lượng hydro chỉ cách lớp phủ regolith ở bề mặt trên dưới vài mét của sao Hỏa. Người ta thấy lớp băng tàng trữ bên dưới chưa lượng hydro này.

Năm 2023, tàu quỹ đạo Mars Express của cơ quan không gian châu u (ESA) đến Sao Hỏa. Nhưng nó không thành công khi đi vào bầu khí quyển và tháng 2.2004 thì mất kiên lạc. Đầu năm 2004, đội phân tích phổ kế Fourier hành tinh (Planetary Fourier Spectrometer team) đã thông báo rằng tàu quỹ đạo đã xác định được sự có mặt của methan trong bầu khí quyển Hỏa Tinh. Tháng 6/2006, cơ quan ESA thông báo tàu của họ đã quan sát được hiện tượng cực quang trên Sao Hỏa.

10/3/2006, tàu Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) của NASA đi vào quỹ đạo hành tinh này để thực hiện nhiệm vụ 2 năm khảo sát khoa học. Con tàu đã vẽ bản đổ địa hình và khí hậu Sao Hỏa nhằm tìm những địa điểm phù hợp cho các phi vụ đổ bộ trong tương lai. 3/3/2008, các nhà khoa học thông báo tàu MRO đã lần đầu tiên chụp được bức ảnh về một chuỗi các hoạt động sạt lở đất đá gần cực bắc hành tinh.

Tàu Dawn đã bay ngang qua Sao Hỏa vào tháng 2 năm 2009 để nhận thêm lực đẩy hấp dẫn nhằm tăng tốc đến tiểu hành tinh Vesta và sau đó là hành tinh lùn Ceres.

Chương trình Mars Science Laboratory, với robot tự hành mang tên Curiosity, được phóng lên ngày 26 tháng 12 năm 2011. Robot tự hành này là một phiên bản lớn hơn và hiện đại hơn so với hai robot tự hành trong chương trình Mars Exploration Rovers, với khả năng di chuyển tới 90 m/h. Nó cũng được thiết kế với khả năng thực hiện thí nghiệm với các mẫu đất đá lấy từ mũi khoan ở cánh tay robot hoặc thu được thành phần đất đá từ việc chiếu tia laser có tầm xa tới. Robot này cũng sẽ thực hiện khả năng đổ bộ chính xác trong vùng bán kính khoảng 20 km nằm trong hố Gale nhờ lần đầu tiên sử dụng thiết bị phản lực có tên “Sky crane”

Năm 2008, NASA tài trợ cho chương trình MAVEN, một phi vụ gửi tàu quỹ đạo được phóng lên năm 2013 nhằm nghiên cứu bầu khí quyển của Sao Hỏa. Con tàu sẽ đi vào quỹ đạo hành tinh đỏ vào năm 2014.

Năm 2018 cơ quan ESA có kế hoạch phóng robot tự hành đầu tiên của họ lên hành tinh này; robot ExoMars có khả năng khoan sâu 2 m vào đất nhằm tìm kiếm các phân tử hữu cơ.

NASA sẽ gửi robot đổ bộ InSight dựa trên thiết kế tàu đổ bộ Phoenix nhằm nghiên cứu cấu trúc sâu bên trong Sao Hỏa vào năm 2016.

Năm 2020, một robot tự hành có thiết kế tương tự như Curiosity sẽ được phóng lên nhằm mục đích tiếp tục nghiên cứu hành tinh này của cơ quan NASA.[163]

Chương trình MetNet hợp tác giữa Phần Lan-Nga sẽ gửi một tàu quỹ đạo nhằm nghiên cứu cấu trúc khí quyển, khí tượng hành tinh đồng thời nó sẽ gửi một thiết bị nhỏ xuống bề mặt hành tinh.