自1976年“海盗号”探测器和20年后“全球勘探者”查明火星地形的全貌以来，我们知道火星南北半球表面的地貌有很大差异。北半球几乎是光滑的平地，环形山为数不多，而南半球由许多环形山覆盖。这个事实表明，南半球是比北半球更古老的地形。赤道一带有因大规模火山活动造成的塔尔西斯山区。火星南北半球地貌差异巨大，成因一直是未解之谜。美国科学家最近在《自然》杂志发表文章认为，小行星或彗星等外力猛烈撞击是造成火星南北差异的原因。他们认为，数十亿年前，小行星或彗星猛烈撞击年轻的火星，造成地表巨大差异。不过，也有一些科学家认为，最新研究成果虽然为撞击说提供了更多论据，但仍无法完全排除其他可能，如火星自身的地质运动。
人类通过“水手9号”和“海盗号”探测器观测到火星上巨大的沙尘暴，而且“全球勘探者”也于2001年观测到几乎覆盖火星的大规模沙尘暴。大规模沙尘暴大多是在南半球的冬春两季频繁发生。例如2001年6月发生的一场沙尘暴。一开始只是南半球赫拉斯盆地上空的一团尘云，接着它的体积稍微有所增大，但是到了6月27日那天，风暴开始肆虐，尘云也急速膨胀起来。到7月初，尘云已扩散到盆地之外，并蔓延到整个火星上空。沙尘暴直到9月底才结束，但是卷起在高层的沙尘还照样浮游在大气中，所以到11月火星看上去还是朦胧不清。
火星的大气很稀薄，只有地球的十几分之一。从理论上来说，大气大循环模型所表现的大规模的风，按火星上那样的条件不能轻易地刮起来，所以欲从表面扬起沙尘是困难的。尽管如此，实际上大规模沙尘暴还是发生了。这是为什么呢？
火星上的河道之谜
1877年，意大利天文学家斯加帕雷里利用火星近日点与地球会合的机会，用口径24厘米的望远镜观察火星后发现，火星表面有些模糊不清的暗线和暗斑，这些暗线把一个个暗斑连接起来，有的暗线宽达120千米，长4 800千米，纵横交错，形成覆盖火星大陆的网络。斯加帕雷里将自己的发现绘制成图表，公之于世，引起天文学界的广泛关注，对这些暗线和暗斑也进行各种猜测。
1964年至1977年间，美国先后向火星上发射了“水手号”和“海盗号”两个系列共8个探测器。1971年11月，“水手”9号对火星全部表面进行了高分辨率的照相，发现了火星上有宽阔而弯曲的河床。不过，这些河床与轰动一时的运河完全是两回事。这些干涸的河床，最长的约1 500千米，宽达60千米或更多。主要的大河床分布在赤道地区，大河床和它的支流系统结合，形成脉络分明的水道系统。还可以观测到呈泪滴状的岛、沙洲和辫形花纹，支流几乎全部朝着下坡方向流去。科学家们分析，只有像水那样的少黏滞性流体才能造成这种河床，这是天然河床，绝不是“火星人”的运河。
那么，火星上为何只有河道而没有水？这是科学家们长期不解的一个问题。
如今经过探测器探测，火星表面温度很低，大部分水作为地下冰存在于极冠之中。极稀薄的大气，使得冰在温度足够高时只能直接升华为水蒸气，自由流动的河水是无法存在的。而这些火星河床说明，过去的火星肯定与今日的火星大不相同。
关于火星河床的成因，一种假说认为，在火星的历史早期，自转轴的倾斜度比现在更大，因而两极的极冠融化，大量二氧化碳进入大气，大量的水蒸发并凝成雨滴在赤道地区落下，形成河流；另一种假说认为，在火星历史的早期，频繁的火山活动喷出了大量气体，这些浓厚的原始大气曾经使火星表面温暖如春，造成了冰雪融化、河水滔滔的景色。后来火山活动减少，火山气体逐渐分解，火星大气变得稀薄、干燥、寒冷，从此，河水干涸，成为一个荒凉的世界。
当然，对于火星河流的形成还可以提出更多的猜想与假说。然而，科学家们最关心的问题是：滔滔的河水跑到哪里去了？有人提出，从巨大的江河到今日滴水皆无，这说明火星的气候发生了根本的变化。
