Marsin kaasukehä

Marsilla on ohut kaasukehä, jonka paine on noin 1/200 Maan ilmakehän paineesta. Se on enimmäkseen hiilidioksidia, mutta siellä on myös typpeä, argonia ja jälkiä hapesta ja vesihöyrystä, sekä muita kaasuja vielä pienempiä määriä. Marsin ilmakehässä on vesihöyryä vain 1/1000 Maan vastaavasta. Paine pinnalla on korkeudesta riippuen 0,6–1,155 kPa, Maassa se on 101,3 kPa. Talvella 25 % kaasukehästä tiivistyy napalakkiin hiilidioksidijääksi. Hiilidioksidijään sulaminen laukaisee voimakkaita pölymyrskyjä, ja Marsissa on monenlaisia vedestä ja hiilidioksidijäästä koostuvia pilviäkin. Marsin sää on kokonaisuutena ennustettavampaa kuin Maan sää. 
Muinaisessa historiassa Marsin kaasukehä on ollut tiheämpi tulivuorista purkautuneiden kaasujen takia. Koska Marsin painovoima on pieni, kaasuja haihtuu jatkuvasti pois, noin 100 grammaa sekunnissa.

Kaasukehän koostumus

Marsin kaasukehä on hyvin ohut ja koostuu lähinnä hiilidioksidista (95 %) ja vähistä määristä typpeä (3 %), argonia (1,6 %), happea 0,13 % ja vettä 0,03 %. Jos se olisi nesteenä pinnalla, se synnyttäisi vain 0,1 mm:n paksuisen kerroksen. Ilmakehässä on jälkiä otsonista.

Kaasukehän paine

Marsin kaasukehän paine on keskimäärin vain 0,6 kPa (6 mbar), verrattuna Maan ilmakehän 101,3 kPa:n paineeseen. Näin ollen Marsin kaasukehän paine on 0,6 % maan vastaavasta. Marsin kaasukehän paine on korkeimmalla kohdalla noin 25 km korkean Olympus Monsin huipulla 30 Pa ja alimmalla kohdalla Hellas Planitiassa yli 1155 Pa.  Marsin kaasukehän paine eli "ilmanpaine" vaihtelee vuodenaikojen mukaan muun muassa sen takia, että ajoittain osa kaasukehän hiilidioksidista sitoutuu planeetan napalakkiin. Vikingin ja Pathfinderin laskeutumispaikoilla paine vaihteli niin että talvella oli korkeapaine 9–10 mbar, kesällä matalapaine 7 mbar.

Lämpötila

Marsin keskimääräinen lämpötila on -55 °C (vrt. Maan keskilämpötila +15 °C). Vuoden keskilämpötila päiväntasaajalla on -50 – -55 °C ja navoilla -110 – -115 °C. Lämpötila vaihtelee vuorokauden aikana 50-60 °C, jopa 80 °C. Päiväntasaajalla yölämpötila on -90 °C ja päivällä joskus jopa 0 –+20–+25 °C. Napaseudun kylmin yö on etelänavalla talvella -133 °C, päivällä siellä on vaaleilla alueilla -70 °C ja tummilla noin -35 °C. Tässä lämpötilassa hiilidioksidijää sublimoituu Marsin kaasukehään, ja jää on siten vesijäätä.
Marsin akselikallistuma on suunnilleen sama kuin Maapallolla ja vuorokausi hieman pidempi kuin Maalla. Mars saa säteilyä 589 W/m² eli alle puolet siitä mitä Maa. Tästä johdettu Marsin ns. tasapainolämpötila on 210 K.
Marsin kaasukehän kasvihuoneilmiö on vain 7 °C (5–10 C), Maassa 38 °C.
Mars on lähimpänä Aurinkoa silloin, kun Marsin kaltevan akselin etelänapa osoittaa Auringon suuntaan. Tällöin Marsin etelän kesä on hivenen lämpimämpi kuin pohjoisen kesä.
Huhtikuussa 2007 julkaistun tutkimuksen mukaan Marsissa olisi käynnissä globaali ilmastonmuutos, jonka seurauksena planeetan keskilämpötila voi nousta 0,65 °C vuosisadassa. Tämä johtuu planeetan pinnan tummumisesta pölymyrskyjen siirtäessä vaaleaa pölymäistä maa-ainesta pois tummien kallioiden päältä. Pölymyrsky supistaa Marsin yö- ja päivälämpötilan eron noin 10 °C, se viilentää päivää ja lämmittää yötä.

Luotaimien mittaamia lämpötiloja

Viking 1-luotaimen laskeutumispaikan lämpötila oli kesällä -31 – -81 °C. Viking 2:n lämpötila oli -30 – -81 °C. Mars Pathfinderin laskeutumispaikalla lämpötila laski eräänä yönä -75 asteeseen ja nousi päivällä -15 asteeseen. Viking 1:n ja Pathfinderin laskeutumispaikalla lämpötila vaihteli melko säännöllisesti välillä -90 °C – -25 °C.

Mahdollinen nestemäinen vesi

Hellaksen altaassa paine ylittää 11,55 mbar, ja jos lämpötila nousisi siellä 0 °C yläpuolelle, niin vesi voisi olla nesteenä.

Marsin sää

Tavallinen tuulen nopeus Marsin pinnalla oli Vikingin laskeutumispaikalla kesällä 2–7 m/s ja syksyisin 5–10 m/s. Pölymyrskyn tuulen nopeus on jopa 17–30 m/s , ja pyörremyrskyissä jopa tätä isompi.
Marsin ja Maan tuulet muistuttavat jossain määrin toisiaan, koska molemmat pyörivät suunnilleen samassa jaksossa ja niiden akseli on samalla lailla kallellaan. Ns. Hadleyn kiertoliikkeessä Marsin päiväntasaajan seuduilla nousee lämmin ilma ylöspäin, ja liikkuu ylhäällä kohti napoja. Marsin pyörimisen aiheuttama Coriolis-ilmiö kääntää liikettä kohti napoja. Ilman virtaus lämpimältä päiväntasaajaseudulta jatkuu navoille asti, toisin kuin Maassa. Marsissa esiintyy Maata säännöllisempinä korkea- ja matalapaineiden vuorottelua eli niin sanottuja barokliinisia vaihteluita lähinnä talven molemmin puolin.
Marsissa on matalapaineita alemmassa ilmakehässä lähellä napalakkia. Päiväntasaajalla on itätuulia, muualla länsituulia. Yläilmakehässä on napa-alueita kiertäviä suihkuvirtauksia, joiden nopeus on 150 m/s. Marsille luonteenomaisia säähän vaikuttavia tekijöitä ovat hiilidioksidin härmistymisestä ja tiivistymisestä johtuvat tuulet pohjois-eteläsuunnassa sekä tuulten nostaman pölyn vaikutus kaasukehän lämpötilaan ja tuuliin.
Marsissa esiintyy vuorituuli-ilmiö, joka on Marsin kesäpallonpuoliskolla hyvin säännöllinen.

Marsin pohjoinen hurrikaani

Marsissa on kesäisin pohjoisen napalakin lähistöillä aina samassa kohdassa suuri Maan syklonia tai hurrikaania muistuttava pilvipyörre, joka koostuu vesijääpilvistä. Sen läpimitta on noin 1750 km, ja myrskyn silmän läpimitta noin 300 km. Myrsky on suunnilleen paikassa 67° pohjoista leveyttä, 85° läntistä pituutta, Mare Acidaliumin länsipuolella. Hurrikaani on pohjoisen napalakin lähistöillä, missä on kesäisin myös muita hurrikaaneja.

Marsin vuodenajat eri pallonpuoliskoilla

Marsin akselikallistuma määrää planeetan vuodenajat, mutta myös radan suurella soikeudella on merkitystä. Marsin etelän talvi on pitkä ja kylmä, pohjoinen talvi lyhyt ja lauha, Marsin mittapuiden mukaan. Marsin akselikallistuman uskotaan huojuvan jopa 45 astetta, ja Marsin uskotaan olevan nykyään lämpimässä jääkausien välisessä tilassa. Marsin radan soikeuden ja akselikallistuman muutokset johtavat 170000 vuoden mittaiseen jääkausijaksoon.

Marsin pilvet

Marsin pilvet koostuvat vesi- ja hiilidioksidijäästä. Vesijääpilviä on silloin tällöin varsinkin päiväntasaajan lähellä, ja hiilidioksidipilviä napojen lähellä. Vesijääpilvet ovat noin 10–15 km:n korkeudessa ja hiilidioksidijääpilvet yli 40–50 km:n korkeudella, mutta Marsista on löydetty pilviä jopa 80–100 km:n korkeudelta. Planeetalla pöly nousee yli 40 km:n korkeuteen. Marsin pilviä, ns. "sinisiä" tai "valkoisia pilviä" on nähty pitkään kaukoputkilla, ja niitä nähdään avaruusluotainten kuvissa. Ne muistuttavat useimmin maan cirruspilviä. Pilviä on usein korkeiden tulivuorten ympärillä ja muutenkin eniten ekvaattorialueilla. Pilvisyyteen vaikuttavat tietenkin vuodesta toiseen epäsäännöllisesti esiintyvät pölymyrskyt.
Pohjoisen pallonpuoliskon syksyllä napajäätikön supistuttua pienimmillään syntyy pilviä, jotka leviävät aina 40–50 leveysasteelle asti. Eteläisellä pallonpuoliskolla ilmiötä ei ole nähty. Pohjoisella pallonpuoliskolla, toisin kuin eteläisellä, nähdään myös 100–300 km:n läpimittaisia spiraalipilviä.
Talvella kraattereissa havaitaan tuulen suojapuolelle synnyttäviä aaltomaisia pilviä, ja pohjoisessa myös kylmän rintaman pilviä. Marsin päiväntasaajan seuduilla näkyy aaltopilveä kevään aikoina, mutta niiden määrä pienenee kesällä, ja syksyllä nämä pilvet ovat molemmilla pallonpuoliskoilla harvinaisia. Lopputalvella pohjoisella pallonpuoliskolla näkyy 3–4 päivän välein säärintamiin liittyviä pilviä, mutta nämä ovat eteläisellä pallonpuoliskolla harvinaisia.
Hyvin korkealla Tharsis-harjulla havaitaan monipuolisempia sääilmiöitä kuin muualla, koska korkeusvaihtelut tuottavat monenlaisia tuulia. Monesti Tharsis-harjun tulivuorten lähellä on valkea pilvivaippa. Pilviä esiintyy pitkin vuotta, toki vaihdellen vuodenajan mukaan. Keväisin aamulla Tharsiksen seudulla on vuorten suojanpuolella aaltopilviä, päivän edetessä tuulen puolelle syntyy konvektiopilviä niin kuin vastaavissa oloissa Maassa.
Loppukeväällä ja alkukesällä aamuisin esiintyy pitkiä, jopa 1000 km:n mittaisia putkipilviä, joihin syntyy aaltojärjestelmä päivällä, aallonpituuden ollessa 10–20 km. Tämä järjestelmä siirtyy koilliseen tulivuorten jonoa pitkin. Syksyllä Tharsiksella syntyy suojanpuolen aaltopilviä, ja alkutalvella pelkkää utua.

Pölymyrskyt

Marsissa esiintyy pieniä pölypyörteitä, ja myös valtavia pölymyrskyjä. Pienet pölypyörteet jättävät jälkeensä kiemurtelevia tummia vanoja. Joka vuosi syntyy monia muutaman sadan kilometrin läpimittaisia pölymyrskyjä. "Keltaiset pilvet", pölymyrskyt nostavat pölyä jopa 50 km:n korkeuteen. Joskus pölymyrsky leviää koko planeetan laajuiseksi peittäen kaikki planeetan piirteet tulivuoria lukuun ottamatta. Pölymyrskyt esiintyvät planeetan ollessa lähellä Aurinkoa. Tuulen nopeus on myrskyissä yli 100 m/s ja ilman 35 m/s.

Suuret pölymyrskyt

Marsin kesällä näyttää syntyvän pienehköjä pölymyrskyjä. Eräs syntyi Hellaksen altaan eteläosissa heinäkuussa. Joskus harvoin pieni pölymyrsky leviää nopeasti parissa päivässä laajalle alueelle, koko planeetan alalle. 
Vuodesta 1877 on havaittu vain 10 suurta koko planeetan peittänyttä pölymyrskyä.Niitä on ollut vuosina 1909,1924,1956,1971,1973,1975,kaksi 1977,1982 ja 2001.
Pölymyrsky vaeltaa synnyttyään länteen Tharsiksen seudulle. Planeetan laajuinen pölymyrsky peittää useimmat piirteet, pöly leviää niillekin alueille, joilla tuuli ei ole kaikkein voimakkainta. Tällöin planeetalta erottuvat vain napalakit, aavistus tummista alueista ja korkeimmat Tharsis-harjun tulivuoret.
Ilmaan noussut pöly varjostaa ja viilentää Marsin pintaa, mutta lämmittää ilmakehän keskikerroksia. Pölyhiukkaset heijastavat 20–25 % saamastaan Auringon säteilystä. 
Marsissa oli suurin koskaan havaittu pölymyrsky 1971, se peitti napalakitkin. Suuret pölymyrskyt eivät vahingoittaneet pinnalle laskeutuneita Viking-luotamia.

Napa-alueen pölymyrskyt

Keväällä molemmilla pallonpuoliskoilla pölymyrsky saattaa kulkea napa-alueelta kohti päiväntasaajaa. Se on rintaman muotoinen, ja sen molemmilla puolilla ovat pyörteet, niin että se näyttää ylhäältä katsoen hieman sienimäiseltä. Napa-alueella on pilviä. Napa-alueen pölymyrskyt syntyvät hiilidioksidijään sulamisesta. Kylmien napa-alueiden ympärillä on lämpimiä tummia alueita, joiden yllä ilma nousee ylöspäin. Napa-alueiden ilma laskeutuu alaspäin. Syntyy kiertoliike.

Jääkaudet, lämpökaudet

Marsin tulivuorten purkausten vapauttamien kaasujen arvellaan lämmittävän ilmakehää muutaman kymmenen miljoonan vuoden välein. Marsissa on joskus sen akselikallistuman tms. muutoksista johtuvia jääkausia, jolloin napalakit ulottuvat ehkä 30 leveysasteelle asti.

Marsin revontulet

Koska Marsin kaasukehän tiheys ja magneettikentän voimakkuus ovat pienet verrattuna esimerkiksi Maahan ovat revontulet harvinaisempia ja heikompia ja myös luonteeltaan erilaisia.
Vuodesta 2003 toiminut Mars Express luotain on havainnoinut revontulia eteläisellä pallonpuoliskolla. Havaintojen perusteella revontulet ovat hyvin harvinaisia ja lyhytikäisiä. Ne syntyvät elektronien törmätessä hiilidioksidi-molekyyleihin, tapahtuvat ultaviolettialueella ja kestävät joitakin sekunteja.