1964年11月28日,终于成功发射了第一个火星探测器—水手4号（Mariner-4）。它送回了能合成为20张照片的无线电信号。
合成出来的照片有什么?有人工运河?有高智慧的火星人?有表明生命存在的迹象?大大出乎人们的想象，照片上只是一些与月亮上的环形山极为相像的陨石坑。
实际上，地球上的一位天文学家很早以前就预言火星表面上布满了环形山，但没有受到重视。
“水手”4号还飞到火星背后，使发射的无线电信号穿过火星大气后达到地球，这样天文学家可以从信号的变化中分析出火星的大气密度。结果发现，火星大气比以前的估计还要稀薄，不到地球大气的1%。表面的大气压也很低，约相当于地球表面32千米高处的空气压力。火星上存在生命的可能性更小了。
1969年,“水手”6号和“水手”7号又被人类派去侦察。它们用所携带的先进的摄影机和仪器拍回了更多照片，进一步证明火星表面确实布满了陨石坑，某些地方像月亮上的一样稠密,但并不完全像月亮。从照片上看来，火星表面似乎比较平坦，有一些地方凹凸不平，与月亮和地球表面都不同，也没有运河的踪影。
1971年5月30日,“水手”9号又带着人类的嘱托飞往火星。它不仅掠过火星,还要进入火星轨道,围绕火星观察。11月13日,它终于按照人的指令进入轨道，但碰上了意外情况，火星正处在席卷全球的尘暴之中，什么都看不清。“水手”9号只好耐心等待。12月份，尘暴终于平息下来,急不可待的“水手”9号开始认真仔细地工作，终于不辱使命，送回了高质量的信息。将整个火星详细地测绘下来。无可辩驳地证实火星上根本没有运河，洛韦尔错了。火星上只是片荒漠，但存在一些从某些小陨石坑或其他高地发出的黑条纹，看上去像是被风吹起的尘粒堆积在背风处。还有一些明亮条纹，与暗条纹的区别是组成条纹的尘粒大小不同。火星表面的半个球面上有陨石坑,另外半个球面上侧有巨大的火山和深谷。令人惊奇的是，表面上有些条纹，从任何角度看上去都像是河的支流。还有，两极冰帽的边缘处有融化的迹象。
从上述火星表面特征似乎可以推断出，火星正处于气候循环变化的寒冷期，大部分水被冻结，之前或之后，可能出现温暖周期。冰帽会融化，出现水并释放出二氧化碳，使得大气稠密，河水充足，一定会出现生命。即使现在处于寒冷期，但某些生命形式很可能像地球上的动物冬眠那样蛰伏于地下。
1975年，人们又向火星派出了“海盗”1号和“海盗”2号两个探测器。它们着重考察火星上的生命。1976年两个探测器终于降落在火星表面上，它们之间的距离很远，发现火星的冻土与地球差不多，只是铁的成分多一些，而铝的成分少一些。
1996年,美国发射了“火星探索者”探测器,于1997年7月抵达火星，发回了几千张照片。
2004年1月,美国宇航局的“火星探测漫游者”先后将“机遇”号和“勇气”号两辆火星车送至火星表面。“勇气”号可能要一直处于“冬眠”状态,但“机遇”号一直工作良好。
2006年3月,美国宇航局的“火星勘测轨道飞行器”成功进入火星轨道,与美国宇航局的“火星奥德赛”号探测器、“火星全球调查者”号探测器以及欧洲航天局的“火星快车”一起飞行在火星上空。2008年9月,美国太空网报道,火星勘测轨道飞行器在火星赤道附近发现数百处地表断裂,推测可能是数十亿年前火星地下水流淌形成的天然渠道。
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