Изучению структуры и рельефа поверхности во многом способствовали также одновременные измерения в других диапазонах длин волн - инфракрасном, ультрафиолетовом, сантиметровом.
Что же на самом деле представляет собой поверхность Марса? Прежде всего оказалось, что уже отмечавшееся различие в расположении средних уровней поверхности северного и южного полушарий из-за несимметричности фигуры довольно отчетливо проявляется и в морфологии рельефа: в северном полушарии преобладают равнинные области, в южном - кратерированные. Выделяются крупные, поперечником свыше 2000 км, котловины ("моря"), такие как Эллада, Аргир, Амазония, Хрис, и возвышенные плато ("материки") - Фарсида, Элизиум, Тавмасия и др. Последние по своим размерам близки к земным континентам и возвышаются на 4-6 км над уровнем средней поверхности, который соответствует экваториальному радиусу планеты 3394 км. Если бы на Марсе существовали океаны, как на Земле, они бы заполнили обширные пространства котловин, а эти плато действительно выделились бы как материки.
Помимо обширных кратерированных районов, были обнаружены прямые свидетельства тектонической и вулканической деятельности в виде характерных вулканических конусов и разломов, сочетания относительно более молодых структур, довольно четкие следы воздействия различных эрозионных факторов и процессов осадконакопления.
Подавляющее большинство сосредоточенных преимущественно в средне- и высокоширотных районах южного полушария кратеров - ударного происхождения, с различной степенью стирания или разрушения за счет последующих геологических процессов. По степени облитерации, прежде всего по характеру разрушения кромок, или валов склонов, можно судить о возрасте кратера и об интенсивности процессов, приведших к сглаживанию. В целом кратеры на Марсе более мелкие, чем на Луне и Меркурии, но значительно глубже, чем на Венере. Внешние склоны валов типичных кратеров имеют углы наклона по отношению к горизонту около 10o, внутренние стенки наклонены на 20-25o. Как правило, дно кратеров плоское вследствие заполнения эродированным материалом.
Преобладающие формы рельефа северного полушария непосредственно связаны с активными геологическими процессами. В первую очередь внимание привлекают проявления вулканизма - громадные щитовые вулканы с четко очерченными кратерами на вершинах - кальдерами. Такие кратеры образуются при частичном обрушении вершины вулканического конуса, сопровождающем сильные извержения. Четыре вулкана в области Фарсида в несколько раз больше существующих на Земле.
Крупнейшие вулканические конусы называются горами Арсия, Акреус, Павонис и Олимп. Они достигают 500-600 км в основании, поднимаясь над окружающей равниной на 20-21 км. По отношению же к среднему уровню поверхности Марса высота Арсии и Акреуса 27 км, а Олимпа и Павониса - 26 км. Поражают воображение не только высота этих гор, но и диаметры кратеров на их вершинах: около 100 км у Арсии и 60 км у Олимпа. Гора Олимп - это хорошо известное астрономам наиболее светлое пятно, наблюдаемое на диске Марса в средних широтах, обозначавшееся на прежних картах как Никс Олимпика (Снега Олимпа). Само название говорит о том, что его считали возвышением; мало кто мог предполагать, что это возвышение столь грандиозно по своим размерам.
Отсутствие в областях Марса, где сосредоточены вулканы, кратеров ударного происхождения, а также хорошо сохранившиеся следы лавовых потоков на склонах гор позволяют предположить, что вулканы действовали еще сравнительно недавно (по оценкам не более нескольких сотен миллионов лет назад). Свидетельства широко развитого вулканизма на планете дают также хорошо сохранившиеся остатки лавовых потоков на панорамах, переданных с посадочного аппарата "Викинг-2". Место посадки на обширной марсианской равнине Утопия буквально усыпано многочисленными камнями, с характерными сколами и ноздреватыми поверхностями типа пемз. Подобные продукты раздробления пемзовых лав в виде обломочных рыхлых глыб часто встречаются на Земле.
Об интенсивной тектонической активности свидетельствуют многочисленные разломы и сбросы марсианской коры, образовавшиеся утесы, грабены, обширные ущелья с системой ветвящихся каньонов. Они достигают несколько километров в глубину, десятков километров в ширину, сотен и даже тысяч километров в длину. Сетки мощных каньонов зачастую отделены друг от друга плоскими плато или горами с плоскими вершинами и крутыми склонами, которые сложены наиболее прочными породами, противостоящими разрушению. Такие горы называют столовыми. Очевидно, эти образования, а также цепочки кратеров при наблюдении с Земли и создавали иллюзию марсианских "кратеров" - одной из наиболее известных и притягательных гипотез в истории астрономии конца XIX и первой половины XX столетий.
Вследствие наличия атмосферы и значительной эффективности эрозии на Марсе кратеры метеоритного происхождения сильно модифицированы. По этой же причине образовалось огромное количество пылепесчаного материала, что стало характерной чертой марсианской поверхности. Перемещение пыли ветром, обусловленное как локальными метеорологическими, так и глобальными циркуляционными процессами на планете, вызывает периодические изменения очертаний светлых и темных областей, причем темные области систематически на несколько Кельвинов теплее светлых. В относительно спокойные периоды тонкозернистый материал преимущественно скапливается в углублениях, а при сильных ветрах выдувается из них, образуя характерные светлые шлейфы у кромок кратеров, ориентированные в направлении ветра. Это преимущественная ориентировка может сохраняться в течение определенного времени и внутри кратеров, где преобладающими становятся более крупные частицы песка и пыли.
С переносом пыли и динамикой сезонных изменений полярных шапок связана и природа знаменитой "волны потемнения", распространяющейся с наступлением весны от широты примерно 70o к экватору со скоростью около 5 м/с, так что до экватора она докатывается меньше чем за два земных месяца, покрывая расстояние свыше 4000 км. К лету, когда шапка уменьшается до минимальных размеров, темная полоса достигает широты 40o в противоположном полушарии, а к осени, с началом роста шапки, быстро откатывается назад, и "моря" светлеют. В увлекательной теории Ловелла это объяснялось весенним пробуждением и быстрым распространением растительности вдоль живительных артерий - каналов, заполняемых водой с началом таяния шапки. Эта грандиозная ирригационная система высокоразвитых марсиан рассматривалась им как единственно мыслимое средство противостоять суровой природе на планете, преобладающими ландшафтами которой являются пустыни, а вода в условиях сухой и менее плотной, чем земная, атмосферы быстро испаряется.
Обилие и интенсивный перенос пыли объясняют и то, почему не было найдено сколько-нибудь определенной взаимосвязи неоднородностей рельефа с отражательными свойствами (альбедо) поверхности Марса, а также, почему для большинства районов планеты характерна малая плотность грунта. Альбедо поверхности претерпевает значительные изменения, и многие черты рельефа попросту маскируются. Иногда возникают мощные пылевые вихри, неслучайно называемые "пылевыми дьяволами". Ситуация приобретает глобальный характер в период пылевых бурь - грандиозного природного явления, периодически охватывающего всю планету. Пыль во время бурь поднимается на высоту до 10 и более километров, так что выступающими над этой сплошной пеленой оказываются только вершины крупнейших вулканов, а вся остальная поверхность приобретает ровный желтый фон, без каких-либо деталей.
4. Реки и ледники на Марсе.
Бомбардировка метеоритами, глобальная тектоника, широко развитый вулканизм и ветровая эрозия - не единственные активные процессы, формировавшие поверхность Марса. На фотоснимках, переданных космическими аппаратами, обнаруживаются длинные ветвящиеся долины протяженностью в сотни километров, по своей морфологии напоминающие высохшие русла земных рек, выглаженные ложбины и другие характерные конфигурации, свидетельствующие также о водной и ледниковой эрозии. Это приводит к предположению, что в некоторый период марсианской истории поверхность планеты бороздили потоки воды, образовавшие русла с развитой системой притоков, и перемещались ледники. Они образовали в областях ледникового сноса, при обтекании кратеров, каплевидные острова и другие формы разрушения горных пород и выпахивания поверхности. Например, на рис.4 отчетливо видны следы мощного выглаживания, вероятнее всего вызванного ледниками, но, возможно, определенную роль здесь сыграла и вода, при течении которой образовались протоки между локальными уплотнениями материала поверхности. Наибольшие уплотнения, однако, связаны с кратерами ударного происхождения, поперечники которых на рис.4 достигают 10-15 км.
О водном происхождении сохранившихся многочисленных русел, общее число которых оценивается в несколько десятков тысяч, говорит и факт перепада высот в направлении течения древних рек от истока к устью. Часть этих русел протянулась между углублениями на кратерированных участках поверхности, по-видимому, служивших местными водными резервуарами.
Насколько древними являются речные русла, корытообразные долины, оставленные ледниками, и некоторые другие образования, явно свидетельствующие о присутствии воды на поверхности Марса? К какому периоду (или периодам) марсианской истории относятся эти события? Данная проблема, как и проблема общих запасов воды на Марсе, непосредственно связана с палеоклиматом планеты, химическим составом и эволюцией ее атмосферы. Четкость многих сохранившихся флювиогляциальных форм, отсутствие следов их захоронения позднейшими наслоениями указывают на относительно недавнее происхождение, в пределах последнего миллиарда лет. По конфигурации некоторых желобов на склонах возвышенностей можно даже предполагать, что с них когда-то стекали дождевые потоки - ситуация, совершенно невозможная в современных условиях на Марсе при ничтожном содержании в атмосфере водяного пара и очень низком атмосферном давлении у поверхности, при котором вода в жидком виде практически не удерживается, быстро испаряясь.