土衛六是太陽系內唯一擁有真正大氣層的衛星。與地球大氣層相似之處在於,首先,土衛六大氣層主要由氮構成。而該衛星含量最豐富的一種成分是甲烷。惠更斯號探測器將確定氬的含量是否超過甲烷。甲烷是天然氣的最主要成分,在土衛六大氣層形成中起關鍵作用。其次,土衛六大氣層的有機化學物質狀況與早期地球大氣層類似。
科學家利用卡西尼-惠更斯太空船上的紅外光譜儀對土衛六的溫度、風和化學成分進行了測量,並在實驗室中模擬了土衛六的溫度和濕度狀況,測量該狀況下甲烷的光譜。光譜測試表明,土衛六大氣最上層甲烷溫度高於下層密度更大的氣層。卡西尼號複合紅外線光譜儀能夠測度遠紅外線輻射的強度,雷達與近紅外光間無波長的光線。這些無波長、有輻射的光是土衛六大氣層氣體成分發出的。
其他一些關於卡西尼計畫的研究表明土衛六的同溫層溫度及其類似於地球的各種風存在季節性變化。土衛六大氣同溫層的探測結果還顯示該衛星北極點很多方面與地球北極點一樣:低溫,極地強風,多種混合物(土衛六的有機分子)不規則集合--讓人聯想到地球極地的臭氧洞。二者大氣層最實質的成分是強風,這種強風隔離了極地空氣,避免其與低緯度的空氣混合。
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