ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์ที่มีสมบัติต่าง ๆ ใกล้เคียงโลกเรามากที่สุดในบรรดาดาวเคราะห์ในระบบสุริยะทั้งหมด แต่ในความเหมือนก็ยังมีหลายสิ่งที่แตกต่าง หนึ่งในจำนวนนั้นก็คือ บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์

ไอโอโนสเฟียร์เป็นชั้นบรรยากาศระดับบนที่มีอนุภาคประจุไฟฟ้า บนโลกบรรยากาศชั้นนี้เป็นที่รู้จักเป็นอย่างดีและมีการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของมันมาเป็นเวลานาน นั่นก็คือการสะท้อนคลื่นวิทยุ แต่สำหรับไอโอโนสเฟียร์ของดาวอังคาร นักวิทยาศาสตร์แทบจะไม่รู้อะไรเกี่ยวกับมันเลย

จนกระทั่งถึงยุคของมาร์สเอกซ์เพรส

การวัดความสูงของบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ของดาวอังคารก่อนหน้านี้ระบุว่าอยู่สูงจากพื้น 110 ถึง 130 กิโลเมตร ที่บริเวณนี้ รังสีพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ที่มากับลมสุริยะจะแยกอะตอมและโมเลกุล ทำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระ  แต่เรื่องน่าประหลาดใจที่สุดที่มาร์สเอกซ์เพรสค้นพบก็คือ ยานได้พบไอโอโนสเฟียร์ในซีกที่เป็นกลางคืนด้วย

การค้นพบครั้งนี้ข้อมูลส่วนหนึ่งมาจากอุปกรณ์ที่ชื่อว่า มาร์ซีส (MARSIS) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ส่งสัญญาณวิทยุความถี่ต่ำลงไปยังพื้นผิวแล้วบันทึกสัญญาณที่สะท้อนกลับขึ้นมา แม้หน้าที่หลักของมาร์ซีสคือการสำรวจโครงสร้างและวัสดุใต้พื้นดิน แต่เรดาร์ของอุปกรณ์นี้ก็ยังมีประโยชน์ในการศึกษาไอโอโนสเฟียร์อีกด้วยเพราะสัญญาณวิทยุที่สะท้อนพื้นผิวกลับขึ้นมาจะมีการสะท้อนและเปลี่ยนแปลงเมื่อพุ่งผ่านชั้นบรรยากาศที่เป็นประจุไฟฟ้า

หลังจากการปฏิบัติงานมาราวสองปี คณะนักดาราศาสตร์นานาชาติได้วิเคราะห์สัญญาณสะท้อนจากมาร์สซีสกว่า 750,000 ครั้งเพื่อสร้างแผนที่แสดงการกระจายของอิเล็กตรอนบนไอโอโนสเฟียร์ของดาวอังคาร

การกระจายของจำนวนอิเล็กตรอนรวม วัดได้โดยการยิงสัญญาณเรดาร์เป็นเวลาสั้นลงไปในไอโอโนสเฟียร์ สัญญาณส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับขึ้นมา อีกส่วนหนึ่งจะทะลุลงไปถึงพื้นผิวแล้วสะท้อนกลับขึ้นมาผ่านไอโอโนสเฟียร์มาที่ยานอีกครั้ง

สัญญาณที่สะท้อนกลับขึ้นมาจะมีการหน่วง อ่อนกำลัง และกระเจิงออกตามความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในไอโอโนสเฟียร์ที่อยู่ใต้ยาน แผนที่การกระจายของอิเล็กตรอนที่ยานสร้างขึ้นให้ความละเอียดถึง 5 กิโลเมตร นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแผนที่ไอโอโนสเฟียร์ได้ละเอียดถึงขนาดนี้ และเป็นครั้งแรกที่สร้างแผนที่ในด้านกลางคืนได้ 

แผนที่ไอโอโนสเฟียร์ด้านกลางคืนที่ได้จากมาร์สเอกซ์เพรสนี้แสดงโครงข่ายที่ซับซ้อนของบริเวณความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูง สิ่งน่าสนใจคือ นักวิทยาศาสตร์พบว่าจำนวนของอิเล็กตรอนในด้านกลางคืนสัมพันธ์กับทิศทางของสนามแม่เหล็ก กล่าวคือ บริเวณที่อิเล็กตรอนหนาแน่นจะตรงกับบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กเข้ม โดยเฉพาะซีกใต้ของดาวอังคารที่เส้นแรงสนามแม่เหล็กเป็นแนวตั้งฉากกับพื้นดิน

บนโลก สถานการณ์ดังกล่าวจะเกิดขึ้นเฉพาะที่ขั้วโลกทั้งสองเท่านั้น

ลมสุริยะที่ห่อหุ้มรอบดาวอังคารทั้งดวงอาจเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดไอโอโนสเฟียร์ได้ที่ด้านมืด อันตรกิริยากับลมสุริยะให้พลังงานแก่บรรยากาศและสร้างอิเล็กตรอนอิสระขึ้น

ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า จุดใกล้สุดในวงโคจรของยานจะเลื่อนไปอยู่ที่ด้านกลางคืนของดาวอังคาร เมื่อนั้นอุปกรณ์มาร์ซีสจะมีโอกาสได้ศึกษาไอโอโนสเฟียร์ด้านกลางคืนของดาวอังคารอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น ภาพแผนที่อิเล็กตรอนที่ได้จะกระจ่างชัดยิ่งขึ้น เช่นเดียวกันความเข้าใจในเรื่องบรรยากาศของดาวอังคาร