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氩气占1.6％，氧气占0.13％。大气中的水蒸气含量很少，仅占0.01％，但仍能凝结成云并高居于大气之上，还可在山谷中形成晨雾。由于火星的大气稀薄而干燥，起不到保温作用，使火星的昼夜温差很大，气候变化十分剧烈。
尘暴是火星的奇特现象之一，在出现尘暴时，不仅火星探测器能看到，就是在地球上也能用天文望远镜观察到火星表面出现的朦胧黄云。火星每年大约有100次地区性尘暴，风速差不多是地球上12级台风的6倍，这种尘暴往往覆盖半个甚至整个星球。
黎明前的火星天空最有生气，有粉红色和蓝色的云，但太阳一出来就云消雾散了。云层主要由尘埃组成，蓝色的云含有水冰，大约位于距火星地面16公里的高空，虽然有云却不会下雨。云散后的天空依然灰蒙蒙一片，看不到蓝天。火星有两颗卫星，它们的外形很不规则，表面崎岖不平，表面积分别为21和12公里。
根据最新的探测资料，火星两极的冰帽除了二氧化碳冰层以外，还有相当多的水冰成分，据估计，火星表面上的水量可达320～470万立方公里。火星上有许多地方蜿蜒曲折、外貌酷似干涸的河床，有分支，有汇合，清晰可见，还发现有许多水流侵蚀的迹象。有些专家认为，火星上曾经存在过大量稳定的水，由于远古火星温度较高，液态水形成海洋，后来温度下降，水被冻结在永冻土层中或地表以下，如果所有火星上的冰融化，可使整个火星形成100米深的海洋。
火星上有众多的环形山，一种是陨石撞击火星造成的陨石坑，直径一般为0.8～50公里；另一种是火山口。火星上的火山比地球上的火山大10～100倍，其原因可能是火星岩浆喷出速率快，而且火星的重力加速度比地球的要小得多的原因。火星有壮观的峡谷，著名的水手谷由一系列峡谷组成，总长4000公里，宽20公里，深6公里。
火星的密度和结构类似于地球，矿藏资源也与地球相似。多年来，火星探测器收集了火星表层的土壤和岩石样品。科学家对这些样品进行的化学分析显示，各种化合物的含量为：氧化硅44.7％，氧化铁18.2％，氧化镁8.3％，氧化铝5.7％，氧化钙5.6％，氧化硫7.7％，氧化钛8％，氧化钾0.1％，还有含锌、锰、铜、钼等成分的物质；稀有金属有锗、镧、铈、铪、钐、镓、钯、铑，还有金、银等。由于火星表面土壤含铁量很高，厚达20米的风化土含有丰富的氧化铁。火星上还有构成丰富有机物的元素，如碳、氮、氢、氧等。值得一提的是，火星上还蕴藏着丰富的重氢（氘），可作为核电站的主要能源。
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