Il clima di Marte è da secoli oggetto di curiosità scientifica sia perché è l'unico pianeta terrestre la cui superficie può essere facilmente osservata direttamente in dettaglio dalla Terra con l'aiuto di un telescopio, sia perché risulta possibile studiarne, con l'apposita strumentazione, la composizione atmosferica.
Sebbene Marte sia più piccolo della Terra con solo un decimo della massa terrestre, e il 50% più lontano dal Sole rispetto alla Terra (1,524 ua contro 1 ua del nostro pianeta) il suo clima presenta importanti somiglianze, come la presenza di calotte polari (simile alle nostre calotta glaciale artica e calotta glaciale antartica), cambiamenti stagionali e fenomeni meteorologici osservabili e modellizzabili partendo dalle conoscenze acquisite per il pianeta Terra, attirando l'attenzione di planetologi e climatologi e realizzando studi approfonditi. Comunque, anche se il clima di Marte presenta somiglianze con quello della Terra (comprese periodiche ere glaciali), esistono differenze importanti che ne diversificano il comportamento (come ad esempio un’inerzia termica molto inferiore a quella terrestre). L'atmosfera di Marte ha un'altezza di scala di circa 11 chilometri, 60% maggiore di quella terrestre. Assieme alla struttura planetaria e a quella atmosferica, il clima di Marte e la sua evoluzione è di notevole importanza per dare una risposta alla storica questione se la vita sia mai potuto esistere sul pianeta.
Marte è stato studiato con strumenti terrestri sin dal XVII secolo, ma è solo da quando è iniziata l'epoca della esplorazione di Marte, a metà degli anni sessanta del XX secolo, che è stata possibile l'osservazione a distanza ravvicinata. I veicoli spaziali in flyby ed in orbita del pianeta hanno fornito dati dall'alto dell'atmosfera, mentre lander e rover hanno misurato, sul posto dove risiedono, localmente le condizioni atmosferiche. Gli strumenti di oggi sofisticati e posti in orbita terrestre continuano a fornire utili osservazioni del quadro generale dei fenomeni meteorologici a scala relativamente grande che periodicamente avvengono sul pianeta rosso.
La prima missione di sorvolo marziano fu la Mariner 4, arrivata nel 1965. Quel rapido passaggio di due giorni (14-15 luglio 1965) con strumenti grezzi contribuì poco allo stato delle conoscenze del clima marziano. Le successive missioni Mariner (Mariner 6 e 7) colmarono alcune lacune nelle informazioni di base sul clima. Studi particolareggiati, basati sui dati ottenuti dalle missioni ma anche da osservazioni a terra, sono iniziati in maniera più rigorosa con i lander del programma Viking nel 1975 e continuano tutt'oggi con le sonde come il Mars Reconnaissance Orbiter, il Mars Express, l'ExoMars con il suo Trace Gas Orbiter, HOPE della Emirates Mars Mission, la sonda MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), il 2001 Mars Odyssey e per finire con la missione cinese Tianwen-1.
I dati ricavati dalle varie missioni di studio sulla dinamica climatica e sulla atmosfera di Marte hanno permesso alla NASA di definire una complessa simulazione digitale chiamata modello di circolazione generale di Marte (o MGCM, Mars General Circulation Model oggi tenuto dal Mars Climate Modeling Center)L'Ames Mars GCM è stato utilizzato per simulare tempeste di polvere marziane (Murphy et al., 1995), il ciclo idrologico (Nelli et al., 2009), nubi di acqua e anidride carbonica (Colaprete et al., 2008) e numerose altre caratteristiche del clima marziano (vedi Urata e Toon, 2013). riferimento per ogni studio e ogni analisi relativa all'atmosfera e al clima marziano. Differenti iterazioni del modello e di altri hanno portato ad una maggiore comprensione delle dinamiche planetarie ed anche a definire alcuni limiti di tali modelli, affinati col progredire delle conoscenze provenienti dalle missioni consolidate e nuove e dei survey che con esse vengono effettuati. Il modello MGCM viene oggi supportato dal Mars Climate Modeling Center della NASA che rilascia anche un applicativo, ospitato dai server della Ames Research Center, per utilizzare, testare e controllare i dati osservativi, tramite il Mars Global Climate Model.
Osservazioni storiche sul clima Lo studio del clima di Marte si intreccia inevitabilmente con la storia delle osservazioni astronomiche e dell'analisi delle caratteristiche fisiche del pianeta. In questa ottica, sebbene Marte sia stato osservato sin dai tempi di Galileo, soltanto nel XVIII secolo si cominciò a decifrare la dinamica climatica. Si dovrà attendere Giandomenico Cassini per capire che Marte aveva un periodo di rotazione molto simile a quello terrestre (stimò un valore pari a 24 ore e 40 minuti di poco inferiore a quello oggi accettato). Giacomo Maraldi osservò nel 1704 che ai poli marziani c'erano due punti bianchi e che nell'emisfero meridionale questo era eccentrico rispetto al polo di rotazione. L'astronomo dedusse correttamente, durante l'opposizione del 1719, che tali punti bianchi erano le calotte polari marziane.
Se Maraldi osservò per primo le calotte polari, chi iniziò a definirle fu William Herschel, il quale credeva che tutti i pianeti fossero abitati e che esistessero persino esseri intelligenti che vivevano in una zona fresca sotto la superficie del sole. Herschel fu il primo ad osservare le variazioni di diametro delle calotte polari secondo un ciclo stagionale ben definito (di fatto osservò anche l'eccentricità del polo sud). In più l'astronomo dedusse la bassa densità dell'atmosfera marziana nel suo scritto del 1784, intitolato Sulle notevoli apparizioni nelle regioni polari del pianeta Marte, l'inclinazione del suo asse, la posizione dei suoi poli e la sua figura sferoidale; con alcuni cenni relativi al suo diametro e alla sua atmosfera reali. Osservando dei transiti di Marte nei pressi di due stelle deboli, Herschel non notò alcuna variazione della loro luminosità, concludendo, correttamente, che attorno a Marte c'era un'atmosfera poco spessa ad interferire con la luce emessa dalle due stelle.
Per quanto riguarda le osservazioni sulle dinamiche climatiche e sull'atmosfera si possono sorvolare le osservazioni dei primi dell'Ottocento. Si pone l'accento solo su un paio di osservazioni di Honoré Flaugergues: la prima è che nel 1809 scoprì delle nuvole gialle sulla superficie di Marte (di fatto è la prima osservazione documentata e riconosciuta di tempeste di polvere marziane) e la seconda che le calotte polari si rimpicciolivano per scioglimento del ghiaccio (1813), significativamente nella primavera marziana (ipotizzando, in maniera errata, che Marte fosse più caldo della Terra).
Si deve arrivare al 1837 per avere notizie sul ritiro del polo boreale, da parte di Beer e Maedler, osservato con il 24 cm dell'Osservatorio reale di Berlino. Nel 1854 William Whewell conclude che Marte possiede mari segnati dal colore verde e terre definite dal colore rosso e si chiede se ci sia vita extraterrestre, mentre il reverendo William Ruther Dawes, dalle favorevoli opposizioni del 1862 e del 1864, arriva alla conclusione che le facile osservazioni della superficie potrebbero riflettere una scarsità di nubi presenti associate ad una tenue atmosfera dovuta ad una minore gravità del pianeta.
Per avere degli avanzamenti sulle conoscenze si deve attendere l'uso dello spettroscopio. Nel 1867 padre Secchi e, separatamente, Sir William Huggings assieme a Pierre Jules Janssen (1824-1907) tentarono di scovare indizi sulla presenza di ossigeno. Sebbene non riuscirono a riconoscerla, affermarono che comunque vi erano delle bande in assorbimento da definire (in relazione alla Luna) e che comunque l'atmosfera sembrava essere molto sottile.
La seconda metà del XIX secolo e sino all'inizio del XX secolo, gli astronomi furono impegnati al riconoscimento della superficie di Marte e dei canali artificiali, che potevano indicare la presenza di una civiltà intelligente e di un clima molto simile a quello terrestre. Solo William W. Campbell nel 1894 disse di ottenere uno spettro uguale a quello della Luna. Nel 1909 Eugene M. Antoniadi con un telescopio di 83 cm e Alfred Russel Wallace in modo indipendente posero fine alle accese discussioni dimostrando con osservazioni ed arguti argomenti l'impossibilità dell'esistenza dei canali, mostrando di fatto Marte per quello che effettivamente era: un pianeta che non poteva ospitare vita e non possedeva canali artificiali di nessuna sorta. Inoltre Antoniadi dimostrò anche in maniera inequivocabile la presenza di trasporto massivo di polvere tramite l'azione del vento.
IL XX secolo segna il passo allo studio approfondito dell'atmosfera di Marte. Nel 1924 Seth B. Nicholson e Edison Pettit (entrambi statunitensi) dimostrano, tramite il telescopio di Monte Wilson con il generoso specchio di 2,54 m, che l'atmosfera sembra avere una temperatura variabile dai -68 °C ai 7 °C. Nello stesso anno William Weber Coblentz e Carl Otto Lampland indicano la temperatura superficiale minore di -85 °C mentre la temperatura delle nubi sembra attestarsi attorno ai 30 °C. Nel 1925 Walter S. Adams conferma la presenza di acqua in atmosfera e l'anno successivo indica la presenza in percentuale della molecola di ossigeno in quantità pari a quella che si può trovare nei deserti caldi terrestri (con Theodore Dunham Jr nel 1934 definirà la quantità di O2 minore dell'1%). Durante gli anni venti del secolo scorso, l'astronomo francese Bernard Lyot usa il polarimetro per studiare le proprietà superficiali della Luna e dei pianeti. Nel 1929 l'astronomo nota che la luce polarizzata emessa dalla superficie di Marte è molto simile a quella irradiato dalla Luna, sebbene ipotizza che le sue osservazioni potrebbero essere spiegate dal gelo e forse dalla vegetazione. Basandosi sulla quantità di luce solare diffusa dall'atmosfera marziana, l'astronomo fissa un limite superiore di 1/15 dello spessore dell'atmosfera terrestre. Ciò di fatto limita la pressione superficiale a non più di 2,4 kPa (24 mbar). Oggi conosciamo il valore di pressione bene, pari a 6,36 mbar. L'ultima osservazione storica degna di menzione è quella effettuata da Gerard Kuiper, astronomo americano che nel 1947 indica la presenza della molecola di CO2 nell'atmosfera di Marte usando la spettrometria ad infrarossi. Effettivamente Kuiper è stato in grado di stimare che la quantità di anidride carbonica su una determinata area della superficie è doppia rispetto alla Terra. Tuttavia, poiché sopravvaluta la pressione superficiale su Marte, Kuiper conclude, erroneamente, che le calotte polari non possono essere composte da anidride carbonica congelata (ovviamente l'alternativa era l'acqua). Nel 1948 il meteorologo statunitense Seymour L. Hess riesce a determinare che la formazione delle sottili nuvole marziane richiederebbe l'equivalente di solo 4 mm di precipitazione di acqua a pressione del vapore pari a 0,1 kPa (ossia 1,0 mbar).
Paleoclimatologia Osservazioni e modelli recenti stanno producendo informazioni non solo sul clima attuale e sulle condizioni atmosferiche di Marte, ma anche del suo passato. Per comprendere la paleoclimatologia si devono però determinare le diverse fasi attraversate dal pianeta.
Attualmente esistono due sistemi di datazione in uso per definire la scala del tempo geologico che ha visto Marte avere diverse condizioni. Il primo e più comune metodo si basa sulla densità di craterizzazione della superficie planetaria ed è ripartito in tre Periodi chiamati Noachiano, Esperiano ed Amazzoniano. L'altro sistema di datazione definisce una linea temporale basata sull'alterazione di minerali argillosi, anch'essa ripartita con tre Periodi, il Fillociano, il Teiikiano e il Siderikano.