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火星（拉丁语：Mars；天文符号：♂），是离太阳第四近的行星，也是太阳系中仅次于水星的第二小的行星，为太阳系里四颗类地行星之一。西方称火星为“玛尔斯”，即罗马神话中的战神；古汉语中则因为它荧荧如火，位置、亮度时常变动让人无法捉摸而称之为“荧惑”。火星是太阳系的八大行星中第二小的行星，其质量、体积仅比水星略大。火星的直径约为地球的一半，自转轴倾角、自转周期则与地球相当，但绕太阳公转周期是接近地球的两倍[3]。在地球上，火星肉眼可见，亮度可达-2.91，比金星、月球和太阳暗，但在大部分时间里比木星暗。火星距离地球最近在5400万公里（最远达4亿公里，探测器需飞行约7个月以抵达火星）。
关于与“火星”标题相近或相同的条目页，请见“火星 (消歧义)”。 火星的真实色彩影像，由阿联酋希望号火星探测器拍摄 | |||||||||||||
| 轨道参数 | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 历元 J2000[1] | |||||||||||||
| 远日点 | 2.492 3×108 km 1.666 AU | ||||||||||||
| 近日点 | 2.066 2×108 km 1.381 AU | ||||||||||||
| 半长轴 | 2.279 366×108 km 1.523 662 31 AU | ||||||||||||
| 离心率 | 0.093 412 33 | ||||||||||||
| 轨道周期 |
| ||||||||||||
| 会合周期 | |||||||||||||
| 平均轨道速度 | 24.13 km/s | ||||||||||||
| 平近点角 | 19.3871° | ||||||||||||
| 轨道倾角 | 1.850 61° (相对太阳赤道5.6521°) | ||||||||||||
| 升交点黄经 | 49.578 54° | ||||||||||||
| 已知卫星 | 2 | ||||||||||||
| 物理特征 | |||||||||||||
| 平均半径 | 3389.5 km (0.532 倍于地球) | ||||||||||||
| 赤道半径 | 3396.2 km (0.532 倍于地球) | ||||||||||||
| 极半径 | 3376.2 km (0.531 倍于地球) | ||||||||||||
| 表面积 |
| ||||||||||||
| 体积 | 1.631 8×1011 km³ (0.151 倍于地球) | ||||||||||||
| 质量 | 6.418 5×1023 kg (0.107 倍于地球) | ||||||||||||
| 平均密度 | 3.9335 g/cm³ | ||||||||||||
| 表面重力 | 3.693 m/s²(0.377g) | ||||||||||||
| 5.027 km/s | |||||||||||||
| 恒星周期 | 1.026 日 (24.622 9 小时) | ||||||||||||
| 赤道自转速度 | 868.22 km/h | ||||||||||||
| 转轴倾角 | 25.19° | ||||||||||||
| 北极赤经 | 21 h 10 min 44 s (317.681 43°) | ||||||||||||
| 北极赤纬 | 52.886 50° | ||||||||||||
| 反照率 | 0.25 | ||||||||||||
| |||||||||||||
| 视星等 | 最大：-2.91 冲：平均-2.0 | ||||||||||||
| 角直径 | 3.5″－25.1″ 冲：平均17.9″ | ||||||||||||
| 大气特征 | |||||||||||||
| 表面气压 | 6.36 hPa (平均气压） 0.4－8.7 hPa (季节变化) | ||||||||||||
| 成分 | |||||||||||||
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火星大气以二氧化碳为主（95%二氧化碳），既稀薄又寒冷，其表面特征类似月球上的撞击坑，以及地球上的山谷、沙漠和极地冰盖。英语中，其通常被称为“红色星球”（英语：Red Planet）。[4][5]火星呈现为橘红色是因为其地表广泛的分布着氧化铁。火星地表遍布沙丘、砾石，没有稳定的液态水。火星南半球是古老、充满陨石坑的高地，北半球则是较年轻的平原。
火星已被数十艘无人太空船探索。1964年11月28日，由NASA发射的水手4号是第一个访问火星的航天器，于1965年7月15日最接近该行星。苏联火星3号飞船于1971年12月实现了软着陆，但着陆后数秒内失去了联系。欧洲空间局成为第三间派遣探测船访问火星的航太机构，其火星快车号于2003年12月25日到达火星轨道。2014年9月24日，印度空间研究组织的火星轨道探测器到达火星轨道，成为第四个成功派遣探测船到达火星的航太机构。接着还有阿联酋的希望号与及中国的天问一号。火星目前有八艘探测船在轨道中运行。
由于火星位于太阳系的宜居带，同时有更多证据证明火星曾拥有类似地球的环境，与及丰富的资源，故此火星成为各国研究的重点，[6]其中美国[6]及中国[7]已有载人登陆火星的计划，未来将在火星建立基地。
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火星有两个天然卫星：火卫一和火卫二，形状不规则，可能是其捕获的小行星。根据探测到的证据，火星两极有冰冠覆盖，亦观察到季节性的水汽及类似地下水涌出的现象，而过往的火星亦可能被大面积的海洋、湖泊及河流覆盖。[8]火星全球勘测者则观察到其南极冠有部分退缩。[9]火星快车号和火星侦察轨道器的雷达资料显示其两极和中纬度地表下存在大量的水冰[10][11][12]。2008年7月31日，凤凰号直接于表层土壤之下证实水冰的存在。[13]2013年9月26日，火星探测车好奇号发现火星土壤含有丰富水分，大约为1.5至3重量百分比，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。2015年9月证实火星表面有间歇流动的液态水（液态盐水）。[14][15][16][17][18]2018年7月25日，意大利航天局宣布，在火星冰盖之下发现一个直径20公里的冰下湖。这是太空科学家在火星上探测到的首个大型液态水体[19]。
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以直径、质量、表面重力来说，火星约介于地球和月球中间：火星直径约为地球的一半、月球的两倍，质量约为地球的九分之一、月球的九倍，表面重力约为地球的38%、月球的2.4倍。火星体积约为地球的15%，质量约为11%，表面积略小于地球陆地面积，密度则比其他三颗类地行星还要小很多[23]。2012年8月，加利福尼亚大学洛杉矶分校的教授尹安在分析了100张来自火星勘测轨道飞行器的卫星图片后发现，火星有类似地球主要板块划分的构造特点[24]。
长期观测火星发现，南半球地势比北半球高，北极盆地显示有过大撞击，推论约45亿年前遭冥王星大小天体撞击之后，不但形成火卫一和火卫二[25]，亦逼使内核热能散溢出上地幔、内部搅拌逐渐停止，无法以发电机原理持续对流生成磁场。[26]由于火星比地球小，相对表面积与体积成反比而较大，因此火星核心也冷却得比地球的快，地质活动趋缓，磁场和板块运动消逝，太阳风带走大气变薄导致气压偏低，而造成液态水在低温就会沸腾、无法稳定存在。[27]
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火星的地壳平均厚约50公里[28]，最厚可达125公里。火星的地幔由硅酸盐组成，包裹着半径约为1300至2400公里，可能由液态铁及少量硫组成[29]的地核。[30]
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古瑟夫撞击坑充满沙石的地表
Endurance撞击坑中的沙丘
火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃。[6]
火星地表地貌大部分于远古较活跃的时期形成，充满撞击坑，有密布的陨石坑、火山与峡谷。奥林帕斯山是太阳系最高的山，水手号峡谷是太阳系最大的峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原，两极皆有主要以水冰组成的极冠，而上覆的干冰会随季节消长。[6]
基于撞击坑密度的撞击坑计数法可判别出其地表年龄：撞击坑大而密集处较老，反之则年轻，进而将地质年代分为四个阶段：前诺亚纪、诺亚纪、赫斯珀利亚纪和亚马逊纪。前诺亚纪没有留下实质地表，此时地形南北差异形成，有全球性磁层；诺亚纪有大量陨石撞击，火山活动旺盛，可能有温暖潮湿的大气、河川和海洋，侵蚀旺盛，但到末期这些活动已减弱很多；赫斯珀利亚纪，火山活动仍然继续；亚马逊纪则是大气稀薄干燥，以冰为主要活动，如极冠、冰冻层、冰河，并有周期性变迁，沟壑也是这时期形成，火山活动趋缓并集中在塔尔西斯与埃律西昂。[6]
现今火星风成地形遍布，如吹蚀、磨蚀等风蚀作用，和沙尘遇地形阻碍而填积、侵积等风积作用。（名词解释：[31]）前者形成如广泛分布于梅杜莎槽沟层的风蚀脊[32]，后者则如大瑟提斯高原上撞击坑下风处的沙尘堆积，和撞击坑中常见的沙丘。
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火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷。南北半球的地形有着强烈的对比：北方是被熔岩填平的低原，南方则是充满撞击坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷分布各地，南北极有以水冰与干冰组成的极冠，而风成沙丘广布整个星球。随着卫星拍摄的照片越来越多，更发现很多的地形景观。[6]
20世纪早期，地面以无线电波测量火星地形。1976年海盗号进行的地形测量，发现了峡谷和南北半球的巨大差异，而衍生出北方平原本是海洋的假说。火星全球勘测者自1999年起以激光进行更精确的地形测量，得出目前使用的全球地形图，以火星大地水准面（Areoid）为基准，最高点在奥林帕斯山，高21,229米；最低点在希腊平原，低于基准8,200米。[33]现在很多探测器，如火星勘察卫星、火星快车号和火星探测漫游者会运用航照图的地形判别方法，以视差法来测量区域地形，并制成高分辨率立体照片。此外，火星的经度坐标采用东经0至360度，而非地球的东西经各180度。[6]
塔尔西斯高原拥有许多座大型火山，其中包括一座盾状火山——奥林帕斯山。它的宽度超过600千米[34]，高度超过21千米[35]，其高度[注 1]达到了茂纳凯亚火山[注 2]的两倍，与灶神星雷亚希尔维亚盆地的中央山丘高度相当，是太阳系中最高的山峰之一。[36]
人类已在火星上发现了超过4.3万个直径大于5公里的陨石坑。[37]其中，最大的陨石坑是希腊平原，宽约2300公里，深约7公里，是一个清晰的反照率特征。[38][39]同时，火星还有其它大型陨石坑，如阿耳古瑞平原（宽约1800公里）[40]及伊希斯平原（宽约1500公里）。[41]火星陨石坑的形态表明，在陨石撞击后，其地面曾经变得湿润[42]。
火星上的水手谷长约4000公里（与欧洲相当），深度约7公里。它的形成可能是由于塔尔西斯高原的扩大而导致的地壳塌陷。在2012年，科学家提出水手谷并不是一个地堑，而是一个已漂移了150公里的板块的边界。[注 3][43]
来自火星奥德赛号上热辐射成像系统（THEMIS）的影像显示阿尔西亚山北坡有七个可能的深洞，照片中光线无法抵达底部，推测底部可能更深、更宽，可能免受微陨星、紫外线、太阳闪焰和其他高能粒子的侵害，可能是未来寻找液态水或生命痕迹的可行地点。[44]但后来火星勘察卫星的更高分辨率HiRISE影像部分推翻了之前猜测，认为只是光线角度造成深不见底的样子。[45]
火星大气层相对较薄，平均地表气压只有6百帕，约为地球表面气压的0.6%，相当于地球表面算起35公里高的气压，如此低的气压使声音传播的距离只有在地球上的1.5%。[46][47]随着季节的变化，火星气压变化可达20%。火星大气层按高度可分为低层大气、中层大气、上层大气和外气层。其中低层大气由于气悬微尘与地表的热，这部分相对温暖；中层大气存在有高速气流；上层大气（或热气层）温度很高，大气分子也不再像下层那样分布均匀；外气层高度在200公里以上，大气渐渐过渡到太空，无明显外层边界。[6]
火星大气成分为95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%氩气，很少的氧气、水汽等，亦充满着很多吸收蓝光的悬浮尘埃，使天空成黄褐色。[48][注 4]2003年火星大冲时地面望远镜在大气中发现了甲烷；2004年3月，火星奥德赛号确认了这一发现。由于甲烷易被紫外线分解，存在甲烷表示现在或者最近几百年内在火星上存在制造甲烷的来源，火山作用、地质作用、彗星或小行星撞击甚至生物来源如甲烷古菌等都有可能。[50][51]2013年9月19日，根据从好奇号得到的进一步测量数据，NASA科学家报告，并没有侦测到大气甲烷（atmospheric methan）存在迹象[注 5]，因此总结甲烷微生物活性概率很低，可能不存在生命。但是，很多微生物并不会排出任何甲烷，仍旧可能在火星发现这些不会排出任何甲烷的微生物。[52][53][54]
火星大气环流主要为单胞环流，由赤道相对热空气上升，漂至极区下沉，再沿地面回到赤道。另外，在火星的北半球，极冠的二氧化碳升华进入大气，使气压升高；而南半球由于二氧化碳凝华，气压下降。由于进出大气的二氧化碳量高达25%，造成南北压力差，空气便倾向由高压的夏半球流向低压的冬半球，形成另一依季节而变向的环流。因此火星的天气系统一般为全球性的，例如尘暴。[55]
由于火星的自转轴倾角与地球的相当，火星的气候是在太阳系中与地球最相似的，但一个季节的时间比地球的要长。[注 6]火星离太阳较远，表面接收到的阳光仅有地球的43%，[56]且大气层较薄，无法存储过多热量，因此火星表面的温差较大（-110 °C～35 °C）[57]。[注 7]
火星天气重复次数较高，比地球的容易预测。如果一个气象事件在一年的特定时间中发生，可提供的资料（相当稀疏）指出，那个事件很可能在下一年几乎同一个位置再发生一次，误差最多一个星期。
2008年9月29日，凤凰号拍下了降雪事件，是在接近凤凰号登陆地点附近海姆达尔撞击坑之上，为高4.5公里的幡状云降雪。这次降雪在到达火星表面时就已蒸发[58]。火星上的风速要超过地球100倍[59]。
火星地表遍布着流水的遗迹，有些是洪水刻画而成，有些则是降雨或地下水流动而形成，但多半年代久远。冲蚀沟则是另一类规模较小的地形，但形成年代十分年轻，常分布于撞击坑壁，型态多样。关于其成因有两派说法，一派认为是由流动的水造成，另一方则认为是凹处累积的干冰促使了松软物质滑动。[60]
北极初夏的冰盖（1999年）
南极仲夏的冰盖（2000年）
火星南北极有明显的极冠，曾被认为是由干冰组成，但实际上绝大部分为水冰，只有表面一层为干冰。这层干冰在北极约1米厚，在南极则约8米厚，是冬季时凝华而成，到夏季则再度升华进入大气，不过南极的干冰并不会完全升华。[61]夏季仍存在的部分称为永久极冠，而整体构造称做极地层状沉积（Polar Layered Deposits），和地球南极洲与格陵兰冰层一样为一层层的沉积构造。北极冠宽达1,100公里，厚达2公里，体积82.1万立方公里[62]；南极冠宽达1,400公里，最厚达3.7公里，体积约1.6百万立方公里。[63]两极冰冠皆有独特的螺旋状凹谷，推论主要是由光照与夏季接近升华点的温度使沟槽两侧水冰发生差异融解和凝结而逐渐形成的。[64][65]
2011年由火星勘察卫星的浅地层雷达发现南极冠有部分原本认为是水冰的地层其实是干冰，所含二氧化碳量相当于大气含量的80%，这比以往认为的要多很多。根据此的模拟结果，十万年一周期的气候变迁中借由干冰升华、凝结，大气总质量的变化幅度会达数倍。[66][67]由这些干冰沉积上方地表的下陷与裂隙判断，干冰正在慢慢升华。[68]
自海盗号即发现，火星北半球中纬度有几处峡谷底含有条纹流动状的地表特征，但不确定是富含冰的山崩、含冰土的流动或是尘砾覆盖的冰河。但根据更新任务的资料与比对地球的相关地形，支持这些是冰河，且推测是自转轴倾角较大时的气候状态下所累积的。[69]
由火星奥德赛号X射线光谱仪的中子侦测器得知，自极区延伸至纬度约60°的地方表层一米的土壤含冰量超过60%[70][71]，推测有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere）。
另外一个关于火星上曾存在液态水的证据，就是发现特定矿物，如赤铁矿和针铁矿，而这两者都需在有水环境才能形成。[72]
对于在火星上有冰存在的直接证据在2008年6月20日被凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。2008年7月31日，美国航空航天局科学家宣布，凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生，从而最终确认火星上有水存在。[73]
2013年9月26日，美国航空航天局科学家报告，火星探测车好奇号发现火星土壤含有丰富水分，重量约占1.5%～3%，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。[14][15][16][17]
2015年9月28日，美国航空航天局宣布，在火星上发现液态的盐水。根据火星勘测轨道飞行器配备的光谱仪获得的数据，研究人员在火星的斜坡上发现了水合矿物。这些暗色条纹表明火星地表随时间变化有流水存在。在较温暖的季节，这些线条的颜色变得更深，表明水流在斜坡上出现，在较冷的季节，这些地表特征变浅。在火星的部分地区，最高温度可以达到摄氏零下23度，此时深色线条最明显。[74]
2018年7月25日，据意大利媒体报道，该国科学家在火星上首度发现一个地下液态水湖。该研究称，“火星地下及电离层高级探测雷达”在火星南极冰层下1.5千米处发现一个大型液态水湖，里面含有盐。湖的直径约为20千米，温度至少为零下10度。[75]
火星与太阳平均距离为1.52AU，公转周期为1.88地球年，687地球日，或668.6火星日。火星公转轨道和地球的一样，受太阳系其他天体影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9.6万年和210万年，于0.002至0.12间变化[76]；而地球的是10万年[77]和约40万年，于接近0至0.07间变化（见米兰科维奇循环）。[78][79]
1火星日平均为24小时39分35.244秒[80]，或1.027地球日。[81]火星目前自转轴倾角为25.19度，和地球的相近。不同于地球的稳定处于22.1和24.5度间，由于火星没有如月球般的巨大卫星来维持自转轴，其自转轴倾角可在13度至40度间变化，其变化周期为一千多万年。[82]由于没有大卫星的潮汐作用，火星自转周期变化小，不像地球的会被慢慢拉长。[83]
火星自转轴有明显倾斜，日照的年变化形成明显的四季变化，而一季的长度约为地球的两倍。由于火星轨道离心率大，为0.093（地球只有0.017），使各季节长度不一致，又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约40天。虽然火星没有地球般受海洋影响的复杂气候，但仍有以下特殊之处：火星轨道离心率比地球大，造成日射量在一年当中变化更大，位于近日点时，南半球处夏季，比北半球远日点夏季所造成的升温更强；随季节交替，二氧化碳和水汽会升华和凝结而在两极冠间迁移，驱动大气环流；地表反照率特征，因颜色深浅和沙、岩性质差异而造成的容积热容不同，可影响大气环流；易发生的尘暴会将沙尘粒子卷入高空，沙尘粒子吸收日光与再辐射会使高层大气增温，但遮蔽天空的沙尘会使地表降温；自转轴倾角和轨道离心率的长期变化则造成了气候的长期变迁。火星表面的平均温度比地球低30度以上。[6]
目前，火星与地球最短距离正慢慢减小。当地球与火星之间的距离最小时，称为火星冲日。火星相邻两次冲日的时间间隔约为779天。[84]当地球、太阳和火星连成一线时，在火星上便可看到地球凌日，在太阳的位置可看到地球的黑点通过[85]，同理还有水星凌日[86]，在地球上则不会看到火星凌日。[87]
火星有两个天然卫星——火卫一与火卫二，最长直径各为27公里和16公里，形状不规则并充满撞击坑，以近圆形的轨道于接近火星赤道面处公转。它们虽然很小，但由于接近火星，使火卫一从火星上看约有满月直径的二分之一至三分之一大，而火卫一的视星等可达-7，火卫二可达-5，白天可能可见。[88]和月球一样，这两颗卫星都被火星潮汐锁定。[注 8]火卫一的公转周期比火星自转更快，所以在火星上来看是西升东落的，且仅需约4个小时；而火卫二的公转周期只比火星自转慢一些，东升西落要花约2.4个火星日。[88]因为火卫一离火星很近，火星的潮汐力会慢慢但稳定地减小它的轨道半径，预计再过约760万年，火卫一将因轨道低于3620公里（火星的洛希极限）而被瓦解。[89]另一方面，火卫二因为离火星足够远，所以它的轨道反而正在慢慢地被向外推进。[6]
两颗卫星可能是捕获的小行星，但新研究认为可能是撞击事件、或原本的卫星被火星潮汐力拉碎后，由散布轨道上的岩屑再度吸积而形成。[90]
火星的火红色，自古就吸引着人们，希腊人称火星为“战神”。此时的火星观测和其他天体一样，大部分是为了占星，而后渐渐涉及科学方面，如开普勒探索行星运动定律时依据了第谷积累的大量而精密的火星运行观测资料。[92]
望远镜出现后，人们对火星可以进行更进一步的观测。使用望远镜观测星空的伽利略所见的火星只是一个橘红小点，然而随着望远镜的发展，观测者开始辨别到一些明暗特征。惠更斯依此测出火星自转周期约为24.6小时，而他亦为首次纪录火星南极冠的人。一开始由于各人各自观测，意见不一致，地名也未统一（例如用绘制者名字命名）。后来意大利的乔范尼·斯基亚帕雷利统合了各家说法而绘制了地图，地名取自地中海、中东等的地名和圣经等作为来源，而其余则依照旧有的观念：暗区被认为是湖、海等水体，如太阳湖、塞壬海、明显的暗大三角——大瑟提斯；而亮区则是陆地，如亚马逊。这个命名系统一直延续下来。[92]
当时，斯基亚帕雷利和同期观测者一样，观察到了火星表面似乎有一些从暗区延伸出的细线，因为对于暗区是水体的传统，这些细线被命名为“水道”。而后来观察到暗区会在冬季时缩小、夏季时扩张。有人提出暗区是植物覆盖、而暗区的扩大缩小则是消长所引起的，改变以往认为暗区是水的说法。帕西瓦尔·罗威尔观察到并宣称那些“水道”其实是人工挖掘的“运河”，用来灌溉植物，因为水道应太细不可见，而看到的细线应是灌溉出的大片植物。风靡大众的火星科幻和火星人即源于此。不过这些细线大多已被证明不存在，部分则是峡谷或陨石坑后延伸出的深色沙子。而火星表面颜色的改变则是因为沙被风吹移，或发生沙尘暴。[92]
苏联、美国、日本在这个世纪发射了不少太空船研究火星表面、地质和气候。这些太空船包括轨道卫星、登陆器和漫游车，但相当大部分任务在完成前或刚要开始时就因种种原因而失败。[93]
1960年10月10日，苏联向火星发射了第一枚探测器火星1A号，但以失败告终。此后苏联经过多次尝试，终于在1962年11月1日，苏联向火星发射了火星1号，这枚探测器终于进入了前往火星的轨道，然而1963年3月21日它飞行到距离地球1.06亿公里的距离时，与地面失去了通信联系。1965年，NASA的水手4号飞掠火星。1971年水手9号进入火星轨道，成为第一个环绕火星的探测船[94]。
1971年苏联火星计划火星2号的登陆器坠毁后数日，相同的火星3号的登陆器成功登陆火星，是第一个成功登陆火星的探测器，但登陆十几秒后随即失去联系，携带的火星车Prop-M也未能将讯息传回地球。1975年，NASA发射海盗号，包括两组轨道卫星和登陆器。海盗1号和2号轨道卫星各运作了六年和三年。两个登陆器皆于1976年成功登陆，并传送了第一张火星地景的彩色照片[95]，而轨道卫星也绘制了全面的火星地图，甚至到今天都还在使用。
1988年苏联发射弗伯斯1号、2号以探测火星和两个卫星。弗伯斯1号于抵达前失去联系，而弗伯斯2号虽然成功拍摄了火星和火卫一，但在放出两艘登陆器到火卫一前也失去联系，所携带的着陆器也未能在火星表面着陆。[96]
在1992年火星观察者失败后，NASA于1996年11月发射了火星全球勘测者。火星全球勘测者于1997年进入火星环绕轨道，其出色地完成任务，它在2001年完成了地图绘制的任务，并三次延长任务，直到2006年11月2日失去联系而结束，总计在太空中运作了10年。在火星全球勘测者发射一个月后，NASA发射了火星探路者，并携带一个登陆器和漫游车——旅居者号（Sojourner），于1997年7月登陆在阿瑞斯峡谷。旅居者号成为第一个在火星上成功运作的火星车，并运作长达83个火星日传回了大量照片。[97]
NASA的火星勘测98计划于1998、99年发射了火星气候卫星与火星极地登陆者，前者预计研究气候、水与二氧化碳等，后者则预计于南极登陆，探测器搭载的深空2号则计划于火星极地登陆者进入大气时与它分离，直接降落并穿入地表进行研究。但火星气候探测者号在1999年9月23日在进入火星轨道的过程中失去联络，最终任务失败[98]，极地登陆者则在1999年12月3日探测器登陆火星时失去联络，[99]两者均以失败告终。
另外，1996年12月16日，俄罗斯发射了火星96号探测器，探测器进入地球轨道后未能成功点火进入前往火星的轨道，而宣告失败。[6]1998年7月3日日本发射的希望号探测器，于2003年12月10日进行最后的远程遥控修复作业仍告无效之后，日本放弃让“希望号”进入火星轨道的尝试，项目也以失败告终。[100]
这个世纪，更多国家和地区的航天部门加入到火星探测的行动中。
2001年NASA发射了2001火星奥德赛号，任务成功进行并延续到2010年9月。[101]船上的伽玛射线光谱仪于地表下一米内侦测到大量的氢，证明有大量的水分子存在火星近地表。[102]2003年NASA发射了两台相同的火星探测漫游者——精神号（MER-A）和机会号（MER-B）。两台皆于2004年1月成功登陆并工作超过预定时间。传回的资料中最有价值的是两地过去有水的确实证据。偶尔的尘卷风和风暴清除了太阳能板上的沙尘，使它们的工作时长超过了预定任务时间。[103]
2003年欧洲空间局发射了火星快车号，包括轨道卫星和登陆器——小猎犬2号，而小猎犬2号于2004年2月降落失败（后查证为降落后无法正常部署而失联）。[104]2004年船上的行星傅立叶光谱仪于其大气中侦测到甲烷。2006年6月ESA宣布火星快车号发现极光。[105]
2005年8月NASA发射了火星勘察卫星，于2006年3月进入火星轨道展开为期2年的工作。它搭载更先进的通讯系统，带宽比之前任务总和还宽，且传回的资料远多于过去任务的总和。其拥有分辨率高达0.3米的相机——HiRISE，拍摄地表和天气以寻找未来任务的适合登陆地点。2008年2月19日拍摄到北极冠边缘的一系列雪崩影像。[106]
2007年2月25日，探测彗星的罗塞塔号近距离飞掠火星并拍照，拍到火星的高空云系。[107]
NASA于2007年8月发射凤凰号，于2008年5月登陆在火星北纬68度的极区。[108]凤凰号登陆器有一支可伸及2.5米的机械手臂，并可挖掘土壤1米深。它还搭载一座显微镜，分辨率达人类头发宽度的千分之一。2008年6月20日，其确认了在2008年6月15日发现的地表白色物质为水冰。[109][110]2008年11月10日，NASA由于火星进入冬季而无法继续联系凤凰号，任务结束。[111]2009年2月17日，黎明号飞掠火星以重力助推前往目的地灶神星和谷神星，并在接近火星时拍照。[112]
2011年11月9日，中俄合作的福布斯-土壤号升空，预计送回火卫一土壤样本。而该探测器还搭载了一颗重110千克的火星探测器，也就中国第一艘火星轨道环绕器萤火一号（YH-1），预计乘坐俄罗斯的联盟号运载火箭升空，航程大约10个月。萤火一号主要研究火星的电离层及周围空间环境，火星磁场等。[113]但该探测器发射到近地轨道后，因为与地面失去联系变轨失败，探测器的碎片于莫斯科时间2012年1月15日坠落在太平洋海域。[114][115]
继凤凰号之后，NASA于2011年的发射的火星科学实验室（好奇号），在2012年8月6日05:31UTC成功登陆火星的盖尔撞击坑。它和火星探测漫游者一样是火星车，但比火星探测漫游者更大、速度更快，而且设备更完善。它搭载了激光化学检测仪，可在13米外分析岩石的组成[116]。比起之前其它火星任务，它携带了更多先进科学仪器。本次任务的总成本达到了25亿美元，是历来最贵的火星探测任务。[117]2013年11月19日NASA发射MAVEN探测器，研究火星大气。[118]2014年9月22日进入环绕火星的轨道，MAVEN至今仍在运作。[119]2014年9月24日，印度的火星轨道探测器也成功进入火星轨道。[120]
2016年3月14日，ESA与俄罗斯联邦航天局合作研发的火星微量气体卫星成功发射，该卫星将分析火星大气层，并将运载斯基亚帕雷利演示登陆器至火星进行登陆。其可挖掘两米深以寻找有机物甚至火星生命。[121]登陆器于2016年10月19日登陆火星，但由于登陆器与火星高速碰撞，造成登陆计划失败。原定于2020年7月发射的罗莎琳·富兰克林号[122]，则被推迟到2022年[123]。
2020年7月下旬，阿联酋希望号火星探测器、中国国家航天局的天问一号、与NASA的毅力号，先后发射升空。2021年2月9日希望号到达火星。2月18日毅力号成功登陆火星，毅力号还携带一台火星无人直升机机智号，机智号在2021年4月19日首次试飞获得成功，这是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。4月20日，毅力号成功将火星大气的二氧化碳转化成氧，这是地球以外的首次成功造氧。[124]5月15日，中国国家航天局的天问一号着陆器和祝融号火星车在火星乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆，[125]5月22日，祝融号被成功释放到火星表面，中国成为了继美国之后第二个在火星着陆并且成功部署火星车的国家，而且是第一个一次完成环绕、登陆、巡视的国家。[126]
目前，将一千克物体由地球表面送往火星平均要花费约30,900美元。2004年美国总统布什宣布载人火星任务为太空探索展望中的长期目标。[127]NASA和洛克希德·马丁已开始研究猎户座太空船，计划于2020年以前送人类到月球，作为人类登陆火星的准备。2007年9月28日，NASA执行长迈克尔·格里芬声明NASA预计于2037年以前送人类到火星。[128]ESA也希望于2030至2035年间将人类送上火星。[129]
直达火星是罗伯·祖宾——火星学会的创始人和主席——提出的极低成本载人火星任务，使用重载的农神五号级火箭，省略轨道组装、低地轨道会合和月球燃料补给站而直接用小的太空船前往火星。修改后的计划，称为“Mars to Stay”，改为先不送回第一批登陆者。狄恩·尤尼克说明，送回一开始的四到六人所花费用比送他们到火星还高，反而还可再送二十人。[130]
2000年，美国科学家在南极洲发现了一块火星陨石。这是一块碳酸盐陨石，后被编号为ALH84001。美国国家航空航天局声称在这块陨石上发现了一些类似微体化石的结构，有人认为这可能是火星生命存在的证据，但也有人认为这只是自然生成的矿物晶体。直到2004年，争论的双方仍然没有任何一方占据上风。[131][132]
有证据显示火星曾比现在更适合生命存在[133]，但生命在火星上到底是否真正存在过还没有确切的结论。某些研究者[134][135]认为源自火星的ALH84001陨石有过去生命活动的证据，但这个看法至今尚未得到公认。另有反对的观点[134]认为，自几十亿年前产生以来，该陨石从未长期处于液态水存在的温度下，因而不会曾有生命活动。[136][131]
海盗号曾做实验检测火星土壤中可能存在的微生物。实验只分析了海盗号着陆点处的土壤并给出了阳性的结果[137][138]，但随后即被许多科学家所否定，而这一结果也仍就处在争议之中[139]。现存生物活动也是火星大气中存在微量甲烷的解释之一，但亦有其它与生命无关的解释。人类若对外星殖民，由于火星的适宜条件（同其他行星相比，火星最像地球，而且距离相对较近），它将是人类的首选地点。[140]
2018年6月6日，美国太空总署宣布，好奇号探测车在火星古老湖床的岩石里发现有机物质。这可能对寻找生命给出重要线索。[141]
中国古人认为火星在位置及亮度上都常变不定，故称为“荧惑”，在星占学上象征残、疾、丧、饥、兵等恶象。“荧惑守心”是火星留守在心宿（天蝎座）的天文现象，心宿主要有三颗星，中间这颗最亮，代表皇帝，旁边的两颗代表太子、庶子。荧惑守心是很罕见的天象，被认为最不祥，可能出现两种结果一是皇帝驾崩，或是宰相下台。西汉成帝绥和二年（前7年），天文台观测到了荧惑守心，宰相翟方进被汉成帝赐了毒酒自杀。翟方进死没几天，汉成帝突然暴毙[142]，王莽后来称帝，翟方进之子翟义起兵反王莽。[143]
台湾国立清华大学黄一农教授在他的专书《名家专题精讲系列—社会天文学史十讲》内的其中一篇文章《中国星占学上最凶的天象──“荧惑守心”》提到，现在以电脑推算发现当年并未发生此天象，中国史籍中记载荧惑守心共二十三次，但有十七次是伪造的。中国历史上实际发生过的荧惑守心则共有三十八次，且在中国史籍多无记录[144][145]。
关于火星的神话传说有：
火星文是中文互联网曾经流行的一种特殊的文本，大量使用同音字、音近字、特殊符号来表音，难以阅读，取“地球人看不懂的文字”的讽刺意味。[146]
火星人又是一个网络名词，一则指个性讲究中不断泛滥，衍生出的社会现象，另指在中国论坛中，火星被用来形容陈旧的信息，火星人指把大家都已经知道的消息拿来当新闻说的人。[147]
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