Die Oberfläche des Mars wurde nicht nur durch tektonische und vulkanische Prozesse, sondern auch durch fluviatile (durch Wasser verursachte), glaziale (durch Eis und Gletscher) und aeolische (durch atmosphärische) Prozesse unterschiedlicher Intensität und Dauer geformt und überprägt.
Nordpolkappe im Sommer, aufgenommen von Mars Global Surveyor. (© NASA/JPL/MSSS)
Verzweigte Talsysteme erstrecken sich über weite Gebiete und zeugen von der ehemaligen Aktivität flüssigen Wassers auf dem Mars. Eines der bekanntesten (wenn auch nicht verzweigten) Talsysteme ist Mawrth Vallis, an dessen Hängen die mächtigsten Ablagerungen wasserhaltiger Tonminerale auf dem Mars gefunden wurden. Neben fließenden Gewässern gab es aber auch Meteoritenkrater, die mit Wasser gefüllt waren. Sie werden heute Paläoseen genannt und gehen oft mit Flussdeltas, wasserhaltigen Mineralablagerungen sowie Ein- bzw. Ausflussrinnen einher. Es wird sogar vermutet, dass es einst einen oder mehrere zeitlich getrennte Ozeane in der Nordhemisphäre des Mars gegeben haben könnte. Ihre Existenz oder Nichtexistenz ist jedoch bis heute Gegenstand wissenschaftlicher Debatten.
Heute sind alle Täler und Seen längst trockengefallen. Es muss also einen Wandel des Klimas von einer wärmeren und feuchteren Vergangenheit zu den heutigen, sehr kalten und trockenen Umweltbedingungen gegeben haben. Man geht davon aus, dass dieser Wandel vor etwa dreieinhalb Milliarden Jahren stattfand, allerdings ist der genaue Zeitpunkt, die Dauer und die Art dieses Klima-wandels bis heute unbekannt und insofern eines der wichtigsten Themen der Marsforschung. In letzter Zeit fand man zunehmend Hinweise darauf, dass Wasser episodisch auch in jüngerer Vergangenheit zumindest kurzfristig noch an der Oberfläche vorhanden war. So könnte beispielsweise eine zeitweise Mobilisierung von Wasser durch Schnee- oder Eisschmelze die charakteristischen Erosionsrinnen („gullies”) verursacht haben, die an vielen Kraterhängen zu finden sind. Spuren von glazialen Prozessen, die bis in die allerjüngste Vergangenheit des Mars reichen, sind an vielen Stellen der Marsoberfläche zu beobachten. Zum Beispiel findet man an den nordwestlichen Hängen der großen Tharsis-Vulkane Fließstrukturen, die an schuttbedeckte Blockgletscher erinnern, wie sie in Gebirgen und polaren Regionen der Erde beobachtet werden. Sie werden als Überreste von Gletschern auf dem Mars interpretiert. Viele Oberflächenphänomene, vor allem in mittleren und höheren geographischen Breiten, ähneln periglazialen Strukturen in Permafrostgebieten auf der Erde. Tatsächlich wurde an einigen Stellen Eis in geringer Tiefe nachgewiesen. Auch Radarmessungen haben ergeben, dass der Mars über ein beträchtliches Vorkommen an Eis im Untergrund verfügt. Die wohl eindrucksvollsten Eisformationen auf dem Mars sind die beiden Polkappen, die je nach Jahreszeit aus einer Mischung aus Wasser- und/oder Kohlendioxideis bestehen.
Weitverbreitete dunkle Dünen zeugen von der Aktivität des Windes auf dem Mars, die früher einmal, als die Atmosphäre noch dichter war, von viel intensiverer Wirkung war als heute. Vergleichsweise riesige Dünenfelder kann man vor allem im Inneren von Einschlagskratern finden. Anders als auf der Erde bestehen diese Dünensande aber nicht aus hellem Quarzsand, sondern aus dunkler vulkanischer Asche und zerkleinerten vulkanischen Ablagerungen. Sie wurden nicht nur als Dünenfelder, sondern auch als weit ausgedehnte dunkle Sandschichten vom Wind abgelagert. Als Zeugen der Winderosion hingegen, gibt es ganze Regionen, die von stromlinienförmigen Rücken, sogenannten Jardangs, durchzogen sind, die ähnlich einem Sandstrahlgebläse aus der Landschaft geschmirgelt wurden. Heute zeigt sich die Windaktivität vor allem eindrucksvoll in Form von großen Staubstürmen und kleineren Windhosen, so genannten „Staubteufeln“, die sich mit hoher Geschwindigkeit über die Marsoberfläche bewegen. Bei genauerer Betrachtung der Dünen mit hochaufgelösten Kameradaten lässt sich die Aktivität des Windes überdies auch an der Verlagerung der kleinen Windrippeln auf ihren Oberflächen erkennen. Nach Sturmereignissen werden manchmal auch ganze Dünenkörper verlagert, entstehen neu oder verschwinden gänzlich.
Wenngleich man heute mit den Untersuchungen von inzwischen zehn erfolgreich auf dem Planeten gelandeten Sonden keine Lebensformen auf dem Mars finden konnte, so ist der Rote Planet nach wie vor das wichtigste langfristige Ziel der internationalen Raumfahrt im Hinblick auf die Suche nach existierendem oder ausgestorbenem Leben auf einem anderen Himmelskörper des Sonnensystems. Die Mission Mars Science Laboratory mit dem Rover Curiosity ist 2012 im Krater Gale, dem Grund eines ehemaligen Sees, gelandet und sucht in einer mächtigen Sedimentschicht nach Spuren längst vergangener möglicher Lebensräume. Curiosity konnte erstmals organische Kohlenstoffverbindungen auf dem Mars nachweisen, diese könnten allerdings auch durch nicht-biologische Prozesse gebildet worden sein. Dennoch haben Curiosity und der 2021 gelandete Rover Perseverance die wichtige Rolle von Wasser in der geologischen Geschichte des Planeten bestätigt. Auch ein 2021 gelandeter chinesischer Rover hat Hinweise auf wasserreiche Sedimente gefunden. Obwohl dieser Zeitraum rund 3,5 Milliarden Jahre in der Vergangenheit liegt, war Mars einst habitabel, wenn auch möglicherweise nur lokal und episodisch. Ob tatsächlich Leben entstanden ist, soll mit Nachfolgemissionen geklärt werden.
Den nächsten Schritt soll die ESA-Mission ExoMars machen. Ein Rover wird erstmals in der Lage sein, bis zu zwei Meter tief in den Marsboden zu bohren. Falls es jemals Leben auf dem Planeten gegeben hat, so ist es viel wahrscheinlicher, Spuren davon unterhalb der Oberfläche zu finden, wo sie vor der Zersetzung durch schädliche UV-Strahlung geschützt gewesen wären. Noch weiter geht der ambitionierte Plan von NASA und ESA, gezielt Proben auf dem Mars zu sammeln und sie zur Erde zu bringen, wo sie in mehreren Laboratorien der Welt nach Lebensspuren untersucht werden sollen. Die Proben werden seit 2021 von Perseverance gesammelt und versiegelt und sollen später von weiteren Missionen aufgenommen werden, dann zunächst in eine Umlaufbahn um den Mars gebracht werden, wo sie eingesammelt und zur Erde transferiert werden. Man rechnet im Moment (2024) damit, dass die Proben in etwa 10 bis 15 Jahren auf der Erde eintreffen könnten. Auch China plant eine Mission, um Marsproben zur Erde zu bringen.