Bolygószomszédunk a Naprendszer legtöbbet kutatott planétája a Földön kívül. Az utóbbi 25 év küldetései a víz nyomait kutatva keresték az élet nyomait a bolygón, és részben sikerrel is jártak. Meggyőző bizonyítékok sora mutatja, hogy a korai Marson komoly felszíni vízkészletek voltak, arra ugyanakkor senki sem tudja a választ, hogyan volt ez lehetséges a bolygó légköri viszonyai mellett.

Sőt: több teória is amellett érvel, hogy a korai marsi atmoszféra sem tette lehetővé stabil folyékony felszíni vizek létezését. A Marsot jelenleg egy hideg, száraz sivatag borítja, és a bolygó légköre olyan ritka, hogy nem létezhetnek tavak vagy folyók rajta. A planétát vizsgáló szondák, leszállóegységek és roverek által begyűjtött adatok ugyanakkor azt mutatják, hogy 3,7–4 milliárd évvel ezelőtt víz folyt a bolygón.

Az egyik probléma a korai marsi vízzel kapcsolatban a Nappal van. A csillagok összetétele korukkal együtt változik, és ez hatással van fényességükre is. Ahogy a csillag öregszik, magja összehúzódik, amitől hőmérséklete, sűrűsége és fényessége is nagyobb lesz. A számítások szerint 4 milliárd évvel ezelőtt a Nap fényessége csak 75 százaléka volt a mainak. Ami viszont azt jelenti, hogy jelentősen kevesebb hő jutott el a Marsra, így még nehezebb lett volna megtartani a folyékony vizet annak felszínén, mint napjainkban lenne.

A másik gond a Mars pályáját érinti. A bolygó jelenleg másfélszer olyan messze van csillagunktól, mint a Föld, ami azt jelenti, hogy 40 százalékkal kevesebb napfényt kap bolygónknál. Bár a Mars és a Nap átlagos távolsága nem nagyon változott az elmúlt évmilliárdok során, a pálya tényleges lefutása komoly varianciákon ment át. A vizsgálatok alapján annak alakja teljesen körkörös és a mainál enyhén elliptikusabb között változott. Ennél is jelentősebb azonban, hogy a bolygó forgástengelyének a keringési síkkel bezárt szöge 10–60 között változott az elmúlt 4 milliárd évben, ami jelentősen befolyásolta a felszínen kialakuló hőmérsékleti viszonyokat.

Hogy pontosan hogyan, arról nincsenek pontos adataink, de annyi bizonyosnak tűnik, hogy ahhoz, hogy földi nyomás mellett a Marson stabil felszíni vizek létezhessenek, a felszíni hőmérsékletnek 63 °C felett kellett lennie. Ez pedig az ismert körülmények között csak erős üvegházhatás mellett lehetett lehetséges.

Ennek egyik módja, ha feltételezzük, hogy a légkör egykor sűrűbb volt, és jóval több szén-dioxidot tartalmazott, mint napjainkban. Ez a feltevések szerint egyrészt a kéreg formálódásakor kerülhetett az atmoszférába, másrészt a későbbi vulkanikus tevékenység nyomán. Ebben az esetben viszont nagy kérdés, hogy hova lett azóta a szén-dioxid java?

A gáz elszökésével nem igazán magyarázható ilyen mértékű változás, így lehetséges, hogy az anyag karbonátok formájában a kéregben rejtőzik, de egylőre ennek sem találták nyomát a szakértők. Egy nemrégiben megjelent tanulmány ugyanakkor ötletesen próbálja modellezni a légköri nyomás alakulását: a kráterek méretét és eloszlását vizsgálja. Sűrűbb légkörben a kisebb beérkező égitestek java elég, mielőtt elérné a felszínt, így a legkisebb kráterek átmérője alapján következtetni lehet az aktuális légnyomásra is. A vizsgálat szerint 3,8 milliárd éve a légköri nyomás maximális értéke 0,9–3,8 bar volt, ami jól összefér a vizes elmélettel, hiszen egy vizes Marshoz 1–2 baros atmoszféra szükséges a becslések szerint.

A sűrű széndioxid-légkörnek ugyanakkor megvannak a maga problémái. Egy másik vizsgálat szerint ugyanis a szén-dioxid jelenléte és különböző állapotai jelentősen növelhetik a bolygó albedóját, vagyis fényvisszaverő képességét, mérsékelve az üvegházhatást.

A szén-dioxid ugyanakkor képes lehet így is növelni a légköri hőmérsékletet, ha más üvegházhatású gázok „segítenek” neki ebben. A Mars esetében ilyen tekintetben szóba jöhet a vízgőz, a hidrogéngáz és a kéntartalmú gázok (SO₂, H₂S), azonban ezek mindegyikével akadnak problémák. A vízgőz a vizes marsi hőmérséklet mellett nem tűnik hatékony üvegházhatású gáznak, H₂-ből nincs elég, és nem tudni, honnan lehetett volna több, a H₂S nem elég hatékony a melegítéshez, az SO₂ pedig hamar lebomlik és olyan szulfát aeroszolokat képezhet, amelyek visszaverik a napfényt, így csökkentik annak melegítő hatását, hűtve a bolygót.

Összefoglalva tehát egyelőre nagyon keveset tudunk a korai marsi viszonyokról. Bár a felszín vizsgálata alapján úgy tűnik, hogy a bolygót egykor tavak és folyók borították, az egyáltalán nem világos, hogy ez hogyan volt lehetséges a légköri körülmények mellett.