火星大氣無法像金星大氣那樣能夠被直接觀測到。就太陽光照而言，火星與金星的情況完全相反，並且太陽光通過大氣層內部的折射和散射對它們產生的明亮效果也不同。
因此，揭露火星大氣，要麽讓大氣通過其暫時的渾濁狀態使自身的存在變得明顯，要麽通過它對火星地表造成的影響——若不援引大氣的介入這層原因，我們很難解釋火星地貌的變動，要麽借助光譜分析的結果或者放射線拍攝的照片。盡管我們這次並不用麵對巨大的分歧，但天文學家在大氣的觀測結果和闡釋方麵還是莫衷一是，這也催生了各種假說，而最新的假說與過去一直被人們所接納的觀點幾乎毫無一致之處。人們爭論的並非火星上有沒有大氣，而是關於火星大氣的體量及其構成。
我們必須承認，是W.赫歇爾在針對極冠變化的觀測中最早發現了火星大氣的存在；極冠在火星的冬季增大，隨著夏天的逼近而減小，就像融化了一般，對它的成因的最佳說法——可能也沒有其他更好的了——是雪或冰在極地沉積(1)。也就是說，這一現象直接向我們展示了水蒸氣循環和冷凝的結果。
之後的所有觀測活動都證實了極冠會隨著季節變化，且變化的範圍極大——在冬季，這層白色覆蓋物可以從極地一直延伸到緯度30度的地方，就好像地球北極的雪殼和冰塊穿過不列顛群島北部的緯線，一直擴張到整個北歐。另外，這層覆蓋物一到夏季又會消失得幾乎什麽也不剩，這意味著中間發生過極為顯著的反應，且南北兩極的反應程度並不完全一樣。
我們以上所說的極冠現象主要發生在火星的南半球，而在火星的北極，冬天極冠的範圍要略微小一些，夏天極冠也融化得不那麽完全。這與季節更替機製相符，因為當南半球處於冬至日時，火星運行到了距離太陽最遠的地方，夏至日時又距離太陽最近，因此極冠的變化規模要比北半球的更加明顯——北半球反而在夏天到來時離太陽最遠，冬天到來時距日最近。