Sédiments polaires, glace au sol et glaciers
À chaque pôle se trouve une pile de sédiments riches en eau et en glace finement stratifiés d'environ 3 km (2 milles) d'épaisseur et vieux de quelques dizaines de millions d'années seulement. La stratification est exposée autour de la périphérie des sédiments et dans les vallées qui sortent en spirale des pôles. En hiver, les sédiments sont recouverts de givre de dioxyde de carbone, mais ils sont exposés en été. Au pôle nord, ils s'étendent vers le sud jusqu'à 80 ° de latitude. Au pôle sud, leur étendue est moins clairement définie, mais elles semblent s'étendre plus loin du pôle qu'au nord. On pense que la stratification résulte de variations de la proportion de poussière et de glace, probablement causées par des changements d'inclinaison de l'axe de rotation (obliquité). Aux hautes obliquités, la glace d'eau est chassée des pôles, provoquant probablement la disparition complète des calottes glaciaires et la glace se déposant aux latitudes inférieures. Aux faibles obliquités, les calottes glaciaires sont à leur maximum. Les variations d'obliquité affectent également l'incidence des tempêtes de poussière et le dépôt de poussière aux pôles. Les dépôts ont un jeune âge car ils se sont tous accumulés depuis la dernière période de forte obliquité lorsque les sédiments précédents ont été retirés. Une particularité des sédiments du pôle nord est qu'ils sont entourés et reposent peut-être sur un vaste champ de dunes riche en gypse minéral sulfaté.
Dans les conditions actuelles, à des latitudes supérieures à 40 °, la glace de sol est stable en permanence à des profondeurs inférieures à 1 mètre (3 pieds) sous la surface car les températures ne dépassent jamais le point de gel. Au-dessus de 60 ° de latitude, la glace est suffisamment peu profonde pour avoir été détectée depuis l'orbite. De la glace a également été trouvée juste sous la surface par l'atterrisseur Phoenix à 68 ° N.À des latitudes supérieures à 40 °, des cratères d'impact récents ont creusé la surface à des profondeurs de plus de 2 mètres (7 pieds), révélant la glace de sol. Il existe également de nombreuses caractéristiques de surface causées par la présence de glace de sol abondante. Ceux-ci comprennent un sol fracturé polygonalement similaire à celui trouvé dans les régions terrestres du pergélisol et un ramollissement général du terrain, probablement provoqué par un écoulement facilité par la glace des matériaux proches de la surface. Une caractéristique frappante des bandes de latitudes de 40 ° à 60 ° indiquant la glace est la présence de tabliers de débris à la base de la plupart des pentes abruptes. Les matériaux tombés des pentes semblent s'être écoulés à des dizaines de kilomètres des pentes, et un radar pénétrant le sol montre que les tabliers contiennent de grandes fractions de glace.
Pendant les périodes de forte obliquité, la glace entraînée par les pôles s'est accumulée à la surface à des latitudes inférieures, peut-être pour former des glaciers. La modélisation de la circulation atmosphérique suggère que les sites préférés d'accumulation de glace pendant ces périodes sont les pentes ouest des volcans Tharsis et au nord-est du bassin Hellas. Tous ces emplacements sont riches en caractéristiques d'écoulement et en formes de relief plus morain, ce qui suggère que les glaciers étaient en effet autrefois présents.
L'instrument radar à bord du vaisseau spatial Mars Express a détecté un éventuel lac d'eau liquide sous la calotte polaire sud. Parce que la température du sol sous la calotte polaire serait d'environ −68 ° C (−90 ° F), l'eau du lac devrait être extrêmement salée.
La région polaire nord contient également la plus grande zone de dunes de sable sur Mars. Les dunes, qui occupent la partie nord de la plaine connue sous le nom de Vastitas Borealis, forment une bande qui entoure presque complètement la calotte polaire nord. Des couches de sable et de neige carbonique saisonnière peuvent être observées à certains endroits, indiquant que les dunes sont actives sur au moins une période saisonnière.
