随着科学革命的发展，科学家们意识到地球和其他行星绕着太阳运行。哥白尼、伽利略、开普勒和牛顿的贡献使得对于行星轨道的研究达到了数学精度。而随后天王星、海王星、冥王星以及柯伊伯带天体的发现，让我们意识到太阳系行星的轨道是多种多样的。

图解 : 柯伊伯带天体—新视野号可能的研究目标。（艺术家的概念图）

说到火星，它是离地球第二近的邻居，经常被称为是地球的双胞胎兄弟。它与地球有着很多相似之处，然而最大的不同在于运转轨道。火星不仅离太阳更远，而且它的轨道更加椭圆，因而造成了温度和天气形态上很多非常有意思的不同之处。

图解：火星与地球 来源：百度

近日点和远日点

火星绕太阳公转的平均距离为228万千米（141.67英里），也就是1.524个天文单位（略大于日地距离的1.5倍）。然而，火星还拥有太阳系离心率第二大的椭圆轨道（0.0934），低于排名第一的水星（0.2563)。

这意味着火星与太阳之间的距离随着其处于近日点（最近点）和远日点（最远点）之间的位置而发生变化。简言之，在一个火星年周期里，火星与太阳之间的距离处于近日点的206.7百万千米（128.437百万英里）和远日点的249.2百万千米（154.8456百万英里）之间，也就是1.38个天文单位和1.666个天文单位之间。

图解：火星的真实色彩影像，2007年2月由罗塞塔号拍摄

说到火星年，火星公转的速度为24千米/秒，完成一个公转周期的时间为687个地球日。这意味着，火星上的一年相当于地球上的1.88年。考虑到一个火星日为24小时39分35秒，将火星年调整为668.5991地球日（仍有差不多两倍长）。

火星正处于一个离心率不断增加的长期过程中段。大约19000年以前，离心率达到最小值0.079, 将会在24000年后再次达到峰值0.105（处于1.3621天文单位的近日点）。而且，大约135万年前，公转轨道接近圆形，将会在一百万年后再次变为圆形。

倾斜角

与地球十分相似，火星也有一个显著的倾斜角。事实上，与轨道平面25.19度的倾斜角度与地球本身的23.439度非常接近。这意味着火星和地球相似，从温度方面来说也经历着四季变化。火星表面的平均温度比地球冷很多，不过变化方式是大致相同的。

图解：火星的离心轨道以及倾斜角造就了鲜明的季节变化。来源和版权：大英百科全书;

总之，火星的平均温度是零下46摄氏度（零下51华氏度），最低温度为零下143摄氏度（零下225.4华氏度），出现在冬天的两极；最高温度为35摄氏度（95华氏度），出现在夏季正午时分的赤道。这意味着一年中的某个时间火星其实比地球上某个地方要暖和。

轨道和季节变化

火星温度和季节的变化也和行星轨道的变化有关。根本上说，火星的偏心轨道意味着当它远离太阳时，运行速度慢很多，接近太阳时，运行速度更快（如开普勒行星运动的三大定律所述）。

图解：火星直径约为地球的一半

火星处于远日点时，正是北半球的春季，这是火星上最长的季节，持续大约7个地球月。夏季是第二长的，持续6个地球月，秋季和冬季分别为5.3个月和4个月。南半球季节的长度略有细微不同。

当南半球处于夏季、北半球处于冬季时，火星靠近近日点；南半球是冬季、北半球是夏季时，火星靠近远日点。因此，南半球的季节变化更极端，北半球的则相对温和。南半球夏季的温度可以达到30开尔文温度（30摄氏度、54华氏度），比北半球相应时间的温度更高。

图解：火星奥德赛探测器在2000年四月拍摄到的火星南极冰盖。来源: NASA/JPL/MSSS

火星上也会下雪。2008年，凤凰号探测器在火星南北极地区探测到了水冰。这个结果在意料之中，不过科学家们并没有想到云下会下雪。雪和土壤化学实验使得科学家们相信，着陆点之前更湿润，温度也更高。

接着，在2012年，火星轨道探测器获取的数据显示，火星南极地区发生了二氧化碳雪。几十年来，科学家们已经知道，干冰是火星季节循环的恒常部分，并存在于南极冰盖中。但这是首次探测到二氧化碳雪的现象，也是目前已知太阳系中唯一有这一现象天体。

图解：南极仲夏的冰盖（2000年）

而且最近由火星轨道探测器、火星科学实验室、火星轨道任务（MOM)\、火星大气与会发物演化（MAVEN)以及机遇号和好奇号火星车进行的研究均揭露了关于火星过往的一些惊人事实。

首先，土壤样本和轨道监测已经得出结论，大约37亿年前，火星表面上的水比现在的大西洋还多。同样地，对行星表面和太空的大气研究表明，火星当时的的大气也更适合生物生存，只是慢慢地被太阳风抽离了。

图解：科学家们通过测量目前火星水与半重水与与43亿年前的比率，可以推算出谁的流失率。来源: 凯文 .吉尔

气候模式

气候的多变使得火星上会出现一些极端天气，其中最显著的是火星上有太阳系中最大的沙尘暴。这些沙尘暴最小的只在一小块区域出现，最大的直径可达到几千公里，覆盖整个星球并且将它掩盖得看不见。沙尘暴在火星最靠近太阳时出现，并且会使全球气温升高。

第一个关注到这一现象的研究任务是水手九号探测器，这也是1971年发射的火星第一颗人造卫星，它发回的照片里显示着一个沉浸在烟雾里的世界。整个行星被一个巨大的沙城爆覆盖，只能看到高达24千米的奥林匹斯火山穿出云霄。这场风暴持续了一整个月，使得水手九号拍摄火星细节的任务也推迟了。

图解：由太空所见的火星稀薄且充满尘埃的红色大气层。左下方是阿尔及尔平原。

接着在2001年6月9日，哈勃太空望远镜观测到火星的希腊盆地发生了沙尘暴。七月，风暴偃旗息鼓，然而接着再次成为25年以来最大的沙尘暴。沙尘暴的规模达到就算是地球上的业余天文爱好者用小型望远镜也能看到它。云层使冰冷的火星大气温度上升到令人惊奇的30摄氏度。

这些沙尘暴在火星最接近太阳时最有可能发生，是温度上升和空气及土壤变化的结果。由于土壤变干，更容易被温度变高压力变化而产生的气流卷起。沙尘暴使温度上升更快，从而给火星带来温室效应。