這張照片拍攝於1976年6月，由維京1火星探測器操作。圖為火星表面稀薄的大氣和布滿灰塵的紅色表面。
火星通常被稱為“孿生地球”，因為它與我們的星球有許多屬性。都是有極地冰蓋的類地行星；而且兩者各自表面都曾經有活躍的大氣和液態水。在其他方面，兩者有很大的區別。尤其是在自己的大氣和氣候上，火星可以說是完全不同於地球。
比如，每當談到火星上的天氣，預報內容通常都非常戲劇化。不僅火星的天氣壹天比壹天不同，有時甚至每個小時都在變化。對於壹個表面氣體密度只有地球大氣層1%的星球來說，這似乎有點不尋常。但是當極端天氣和氣象現象來臨時，火星實際上掌握著主動權。
火星的大氣層
火星的大氣非常稀薄，包括96%的二氧化碳、1.93%的氬氣和1.89%的氮氣，還有少量的氧氣和水。空氣中充滿了灰塵，包括直徑為1.5微米的顆粒。正是這些顆粒把火星表面的天空染成了黃褐色。火星的氣壓在0.4到0.87 kPa之間，相當於地球實測海平面的1%。
這張圖說明了甲烷進入和離開火星大氣層的可能方式。
正是因為火星的大氣層如此稀薄，距離太陽更遠，所以它的表面溫度比我們在地球上所能體驗到的溫度要低。地球平均氣溫只有-46攝氏度(-51華氏度)，極地冬季氣溫低至-143攝氏度(-225.4華氏度)，而赤道夏季中午氣溫高達35攝氏度(95華氏度)。
由於極地地區溫度極低，空氣中25-30%的二氧化碳凝固成幹冰沈積在地面上。火星的極冠以水為主，北極地區的幹冰層厚度在冬季可達壹米。南極終年覆蓋著厚達八米的幹冰。
在火星的大氣中也檢測到了微量的甲烷和氮氣。對於前者甲烷，2014，16年2月發表的《好奇號火星探測器監測到的峰值結果》中，估計濃度為30ppb。監測數據很片面，甲烷的來源壹直是個謎。同樣，氨的來源也無法確定。雖然火山活動可能是原因之壹，但這只是壹個提議。
氣象現象:
火星上猛烈的沙塵暴氣候也非常著名，小到龍卷風，大到全球性的沙塵暴。以後者為例，這種氣候現象實際上是灰塵被吹到大氣中，由於陽光照射溫度上升。混有空氣的暖塵上升，風力越來越強，進而形成範圍達數千公裏的沙塵暴，這種氣候現象壹次可持續數月。當它達到這個規模時，乍壹看，沙塵暴幾乎可以覆蓋火星。
這張照片捕捉到了火星上的沙塵暴活動。
由於空氣稀薄、溫度低、缺乏磁層，火星上不會出現降雨等液態降水。壹般來說，太陽輻射會將大氣中的所有水分分解成氫氣和氧氣。由於寒冷而稀薄的大氣層，地表沒有足夠的液態水來維持水循環。
然而，有時稀薄的雲在大氣中形成，並以雪的形式落回地面。主要成分是“幹冰雪花”，在極地已經發現了這種物質的痕跡。無論如何，以前在火星高層大氣中也發現過壹些含水凍結雲的痕跡，但降雪只是在高緯度地區。
2008年9月29日觀察到這種現象。當時，在海姆達爾隕石坑附近的著陸點上方4公裏(2.5英裏)處，雪花從雲層中散落，鳳凰號火星著陸器以照片的形式記錄了這壹時刻。然而，記錄器收集的數據顯示，降雪在到達地面之前已經蒸發。
火星極光:
火星也有極光現象，這也是火星磁場和太陽輻射相互作用的結果。雖然火星上很少有磁氣圈可供討論，但科學家們得出結論，過去監測到的極光對應著壹個區域——即地球上局部磁場最強的區域。這壹結論是通過分析火星環球探勘者號勘測的數據，編輯地殼磁異常圖得出的。
火星地殼上有被磁化的巖石，進而產生局部的、不完全的磁場(左圖)。在右邊的圖片中，我們可以看到那些區域延伸到巖石上方的空間。在它們上面，極光形成了。
2004年8月14日發生的極光現象就是壹個著名的例子，它被火星快車飛船上的火星大氣光譜特征測量器所識別。這次極光現象發生的地點位於火星上的西米利亞高原——地理坐標:東經177，南緯52；而且其預測範圍相當可觀，實測數據水平30公裏，垂直8公裏(即水平18.5英裏，垂直5英裏)。
最近，又觀察到壹種極光現象。距離地球上發現的極光現象只有壹天的時間。觀測設備是壹個探測火星大氣和揮發物演變的探測器。它曾經在2015年3月拍攝了壹張17的極光圖像。這道極光被戲稱為“火星聖誕之光”，貫穿火星中北緯。而且與地球上生機勃勃的極光相比，它就像壹盞昏暗的燭光(由於火星大氣中缺乏氧氣和氮氣)。