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1777年至1783年间，每当火星位于适宜观测的位置时，英国的弗雷德里克·威廉·赫歇尔（Frederick William Herschel）就会用自制的望远镜来观测它，回答了前辈们没有解决的许多细节问题。
让赫歇尔感兴趣的，是火星的自转周期、自转轴的倾斜角，以及轨道的偏心率和自转轴倾角如何共同作用，进而导致火星极冠的变化。虽然，他把观测到的许多特征都画了下来，却唯独忽略了更为普遍的反照率特征。
由于火星的自转轴倾斜，他有时能观测到一个极点，有时又观测到另一个极点，而有时两个极点都可以观测到。
1781年，近日点火星冲日时，赫歇尔证实了马拉尔迪的发现，即南极冰盖没有聚焦在自转轴的极点上。同时，北极冰盖也没有对准极点。他以地球为例，认为极地冰盖由冰雪覆盖。根据太阳交替照射南北半球的方式（由于自转轴倾斜），他推断认为，极地冰盖会在冬季扩张，而在夏季收缩。
根据每晚观测到的火星盘特征，赫歇尔计算出火星的自转周期为24小时39分21.7秒。
1783年10月，赫歇尔曾两次观测到火星从一颗恒星前经过，恒星光迅速减弱，由此，他推断，火星的大气层一定很稀薄。然而，他偶尔也观测到一些暂时性的变化，他认为，这些变化是火星上的大气导致的。
综合当时关于火星的知识，我们可以发现，火星已经从天空中的一个光点，变成了一个独立的世界。由于自转轴的倾角与地球相似，这颗行星也有季节变化。而且，火星轨道是椭圆形的，因此，它在近日点时的运动速度最快，一年四季持续的时间长短不一：南半球夏季的长度为156个火星日，冬季的长度为177个火星日。由于这颗行星在近日点接收到的太阳能，比在远日点时多44%，所以，当火星位于近日点时，南极向太阳方向倾斜，此时，南半球夏季较热；而冬季时，南极点向远离太阳方向倾斜，此时，南半球气温较冷。火星北半球各个季节的时间正好与南半球相反，表面变化不那么明显。赫歇尔假设火星上有人居住，他认为，“在某些方面，火星人的环境条件可能与我们相似”。
约翰·海因里希·马德勒（Johann Heinrich Madler）与天文爱好者威廉·沃尔夫·比尔（Wilhelm Wolff Beer）合作，着手研究1830年的近日点火星冲日。比尔是柏林的银行家富豪，有一座私人天文台。他们的目标是绘制一张火星地图。观测了几次火星冲日之后，积累了大量的草图。他们认为，火星的大气层太稀薄，无法维持剧烈的天气变化，由此推断，火星的反照率特征只是一种表面现象。他们注意到了火星表面反照率特征的大小、形状和色调的变化，观测到了季节变化。1840年，火星地图出版时，他们预测了赤道地区和极地的景象，用字母标识了他们感兴趣的特征。比尔和马德勒共同建立了“地形学”（areography）这一学科，与地理学同等重要。
比尔和马德勒共同测定，火星的自转周期为24小时37分23.7秒。之后，他们重新核对了赫歇尔的观测结果，解决了他们估算的自转周期与赫歇尔估算的自转周期差2分钟的问题。他们发现，1777年至1779年间火星绕轴自转的次数，比他们之前预测的次数多了1次。等人们终于接受他们对火星自转周期的修订结果，他们的时代也已经在弹指一挥间悄然而过。
比尔和马德勒在1830年观测火星时绘制的草图。（感谢 Bill Sheehan 供图）
比尔和马德勒于1837年绘制的火星草图。（感谢 Bill Sheehan 供图）
1840年，比尔和马德勒公布了火星极区的投影地图。（感谢 Bill Sheehan 供图）
西奇在1858年和1864年火星冲日时绘制的火星地图。
1858年火星冲日时，罗马诺学院的佩特·安吉洛·西奇（Pietro Angelo Secchi）在火星上发现了一个转瞬即逝的白色物体，这是人们第一次看到后来被称为“白云”的东西。
1860年火星冲日时，火星正好位于近日点，但从欧洲观测，火星在天空中的位置偏低。1862年的火星冲日更有利于观测，荷兰的弗雷德里克·凯泽（Frederik Kaiser）绘制了一幅火星地图，与比尔和马德勒的火星地图相比，有了明显的进步。与惠更斯在1659年、赫歇尔在1783年观测到的自转周期相比，凯泽计算的火星自转周期，精确到了24小时37分22.62秒。（但由于惠更斯最初绘制的火星地图具有开创性意义，这证明了它们的价值！）英国的约瑟夫·诺曼·洛克耶（Joseph Norman Lockyer）制作了一套精美的火星地图，他后来告诉英国皇家天文学会（Royal Astronomical Society），这些地图与比尔和马德勒的研究结果“惊人的一致”。
火星表面的暗黑地带通常被认为是海洋，但在巴黎工作的以玛利·理艾斯（Emmanuel Liais）认为，如果水域面积很大的话，就不可能出现周期性变暗的现象。相反，他认为暗黑地带是干涸的海床。随着极地冰盖向大气中输送水蒸气，那里的植被开始生长。西奇不同意这一说法，他认为，冰盖的季节性变化“只能用雪的融化或云来解释”，因为水是“雪”在自然界中的天然形态，很显然，“海洋和大陆的存在……”都证明了他的说法。英国地质学家约翰·菲利普斯（John Phillips）曾在1862年火星冲日时持续观测过火星，他说，如果暗黑地带是开阔的水域，那么，他应该能看到太阳的反光，实际上却没有看到。
威廉·拉特·道斯（William Rutter Dawes）在1862年和1864年的火星冲日时，绘制了很多火星地图。天文著作的多产作家理查德·安东尼·普洛克托（Richard Anthony Proctor），在1867年利用这些观测数据制作了一张地图，比之前比尔和马德勒绘制的地图要详细得多。更重要的是，他用研究火星的天文学家的名字来命名火星上的特征。最初，惠更斯绘制的火星上显著的V形地带被命名为凯泽海，比尔和马德勒在赤道上发现的小黑点“A”被命名为子午线地区。然而，由于普洛克托过分偏袒英国天文学家，招致了批评。更糟糕的是，为了纪念他的朋友，他用朋友的名字命名了一片海洋、一个海域、一道海峡、一条海湾、一座岛屿和一个大陆！
1870年，普洛克托发现，他分辨出了罗伯特·胡克（Robert Hooke）1666年绘制的地图上出现过的特征。以长达200年的时间跨度为基础，普洛克托将自转周期精确到24小时37分。他还指出，在这段时间内，即便测量误差只有0.1秒，也会导致自转周期出现2小时的误差。
1871年的火星冲日时，法国巴黎的卡米尔·弗拉马利翁观测了火星。1876年，他发表火星地图时，保留了子午线地区的名称，将其更名为子午线湾。
1892年，弗拉马利翁在《火星及其宜居环境》一书中，引用星云假说作为证据，证明火星的演化速度比地球更快。在此基础上，他推测认为，火星表面受到了严重侵蚀，整体上很平坦，如同地中海那样深的海水淹没了海岸线，导致季节性变化。
受土星环的启发，1796年，法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）提出，旋转的气体星云受引力坍缩形成了太阳系。得出这一结论的分析过程主要参考了当时的几个重要发现：
（1）所有行星绕太阳公转的方向都是相同的。
（2）所有行星都以自转轴为中心，沿着公转的方向自转。
（3）除微小偏离外，所有行星都在同一平面上绕太阳运行。
拉普拉斯说，当星云收缩时，角动量守恒会使自转速率增加。它会不断剥离一些组分，释放自身“过剩”的角动量，从而在一个平面上形成一系列同心环。当位于中心的物质形成太阳后，每一个同心环都会凝聚成一颗行星，在离太阳一定距离的近圆形轨道上运行。根据这一推理，火星比地球形成的时间更早。这样说来，火星更古老、受侵蚀的情况更严重，由于火星的体积更小，内部热量会迅速丢失。
虽然星云假说在当时被广泛接受，但后来的数学分析表明，实际情况并非如拉普拉斯认为的那样。
凯泽在1864年绘制的火星地图，显然要比之前比尔和马德勒绘制的地图更好。望远镜观测时看到的火星是倒像，所以，在他们绘制的墨卡托投影地图上，南极位于上方。（感谢 Bill Sheehan 供图）
1867年，普洛克托利用道斯在1862——1864年绘制的火星地图，首次绘制出包括两个半球的火星地图。
1893年《作为行星的火星》出版后，弗拉马利翁回忆起18世纪约翰·海因里希·兰伯特（Johann Heinrich Lambert）的推测，认为火星上的黄褐色地带有一种特有的植物。“为什么火星的植被不是绿色的？”弗拉马利翁指出，叶绿素由两种化合物组成，一种是绿色，另一种是黄色。“黄色化合物可以单独存在，或者说火星上可以没有绿色化合物，只有黄色化合物。”
