以从轨道上不能获得来自表面的完整反射光谱，直到2004年的卡西尼－惠更斯号任务，才首度获得土卫六表面的直接观察影像。在平流层的大气组成是98.4%的氮，其余的成分大多是甲烷（1.4%）和氢（0.1-0.2%）组成。其它微量、可追踪的气体属于烃类，例如乙烷、联乙炔、甲基乙炔、乙炔和丙烷，还有其它的气体，像是氰基乙炔、氰化氢、二氧化碳、一氧化碳、氰、氩和氦。在土卫六上层大气的碳氢化合物（烃）被认为是太阳的紫外线导致甲烷裂解产生浓厚的橙色碳氢化合物烟雾的情况。土卫六有95%的时间都在土星的磁层内，有助于土卫六