土卫六大气层成分土卫六大气层的平流层中氮含量98.4%，是地球以外太阳系中唯一富含氮的浓密大气层

其余1.6%的成分主要是甲烷（1.4%）和氢（0.1－0.2%）

因为甲烷在土卫六大气层高处冷凝，甲烷的含量在高度约32公里处的对流层顶向下增加，在8公里高到土卫六表面处增加至接近4.9%以后逐渐平缓

另外还有其他痕量的烃类，例如乙烷、二乙炔、丙炔、乙炔和丙烷；以及氰基乙炔、氰化氢、二氧化碳、一氧化碳、氰、氩和氦等其他极低含量气体

从太空所见土卫六大气层的橙色必定是更加复杂的少量化学物质所造成，而这类物质可能是类似焦油状的有机沉积物托林

烃类被认为是来自太阳的紫外线使甲烷分裂后形成的，产生了厚层的橙色烟雾

土卫六没有磁场，虽然2008年的研究显示土卫六经过土星的磁层并直接暴露于太阳风之后会有磁场残留

这可能会使土卫六的高层大气部分分子被电离与逃逸

2007年11月，科学家发现土卫六电离层中的负离子质量大约是氢的1万倍；一般相信是形成橙色雾的物质落到较低空处使土卫六表面被遮蔽

而这些物质目前仍不明，但可能是托林，而这些物质可能是形成多环芳香烃等更复杂分子的基础

来自太阳的能量应该会让所有土卫六大气层中的甲烷在5千万年内全数转化为更复杂的碳氢化合物，这对太阳系的历史而言是相当短的时间

这表明在土卫六上必须有能随时补充大气层内甲烷的来源

土卫六大气层内甲烷含量超过一氧化碳的1000倍，因此可以排除甲烷的来源是彗星撞击土卫六，因为彗星内的一氧化碳含量超过甲烷

土卫六从形成土星系统的云气中累积的大气层获得甲烷这一假说可能性也不高；因为如果如此，土卫六的大气层各种气体丰度应该与太阳星云相近，并包含一定量的氢和氖

许多天文学家提出大气层内的甲烷最终应该是来自土星本身，并且从土卫六表面的冰火山喷入大气层

而甲烷来自土卫六上的生物假说则并未被完全排除可能性（参见土卫六生命）

土卫六的大气层环流模式是和土卫六自转方向同样由西向东

卡西尼号于2004年对大气层观测结果表明存在类似金星大气层的“超级自转”，即大气环流速度远高于自转速度

土卫六的电离层结构较地球的复杂，主电离层高度1200公里，但在高度63公里处有另一个带电粒子聚集层

这使土卫六大气层在一定程度上分裂为两个独立的射频共振腔

卡西尼号在土卫六上观测到了一个天然的极低频电波源，但因为土卫六表面没有明显的闪电活动，因此仍无法了解其本质

而土卫六的内部磁场强度可说是微不足道，甚至可能根本不存在

土卫六环绕土星的轨道半径是土星半径的20.3倍，因此有时候不会在土星的磁层范围内

但是土星自转周期（10.7小时）和土卫六环绕土星（15.95日）的轨道周期差异使土星外围的磁化等离子体和土卫六之间的相对速度大约是100km/h

这实际上会加剧大气层散逸，而非降低太阳风剥离大气层速率

2013年4月3日，NASA宣布基于模拟土卫六大气层的研究，在土卫六上能有复杂的有机化合物存在

2013年6月6日，安达鲁西亚天文物理研究所（IAA）和西班牙国家研究委员会（CSIC）的科学家宣布在土卫六的高层大气发现了多环芳香烃

2013年9月30日，卡西尼－惠更斯号的混合式红外光谱仪（Compositeinfraredspectrometer，CIRS）在土卫六大气层上发现了丙烯

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