近距离探测海卫一之前，天文学家认为它由氮及甲烷构成的大气层密度约为地球大气层的30%。目前已经知道这个估计值过于偏高，就像天文学家原本对于火星大气层的密度估计也过高一样。
航海家二号通过.航海家二号在1989年以最近距离来通过海王星5小时之后接近海卫一，当时航海家二号也对海卫一大气层进行探测，并且在大气层中发现氮及甲烷的存在。
后续的观测.在1990年代，天文学家从地球上借由海卫一的掩星现象来观测它的周边昏暗情形。这些观测结果显示海卫一大气层的密度比航海