1 ngày trên sao Thổ bằng bao nhiêu ngày trên Trái Đất

Sao Thổ được phân loại là hành tinh khí khổng lồ bởi vì nó chứa chủ yếu khí và không có một bề mặt xác định, mặc dù có thể có một lõi cứng ở trong.[25] Tốc độ tự quay nhanh của hành tinh khiến nó có hình phỏng cầu dẹt; tại xích đạo của Sao Thổ phình ra và hai cực dẹt đi. Khoảng cách giữa hai cực so với đường kính tại xích đạo chênh nhau tới 10%— lần lượt là 54.364km và 60.268km.[2] Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương cũng là những hành tinh khí khổng lồ nhưng chúng ít dẹt hơn. Sự kết hợp giữa tốc độ khi phồng và tốc độ tự quay có nghĩa làgia tốc bề mặt tác động dọc theo đường xích đạo, nằm cỡ 8,96m/s2, bằng 74% gia tốc ở hai cực và thấp hơn so với của Trái Đất. Tuy nhiên, vận tốc thoát ly tại xích đạo Sao Thổ là khoảng 36km/s, cao hơn nhiều so với của Trái Đất.

Sao Thổ là hành tinh duy nhất trong Hệ Mặt Trời có khối lượng riêng trung bình nhỏ hơn khối lượng riêng của nước; ít hơn khoảng 30% và do đó, là hành tinh có khối lượng riêng nhỏ nhất.[26] Mặc dù lõi của Sao Thổ có mật độ lớn hơn của nước, nhưng mật độ/khối lượng riêng trung bình của nó bằng 0,69 g/cm3 do bầu khí quyển khổng lồ của nó chiếm đa số về thể tích hành tinh. Sao Mộc có khối lượng cao gấp 318 lần khối lượng Trái Đất[27] trong khi khối lượng của Sao Thổ chỉ cao hơn 95 lần của Trái Đất.[2] Cộng lại, Sao Mộc và Sao Thổ chiếm 92% tổng khối lượng của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời.[28]

Cấu trúc bên trongSửa đổi

Thành phần chủ yếu của hành tinh là hiđrô, chúng trở thành chất lỏng không lý tưởng khi mật độ cao trên 0,01 g/cm3. Mật độ này đạt được ở bán kính nơi chứa 99,9% khối lượng của Sao Thổ. Nhiệt độ, áp suất và mật độ bên trong tăng dần dần về phía lõi, và tại những lớp sâu hơn trong hành tinh, hiđrô chuyển sang pha kim loại.[28]

Những mô hình chuẩn về cấu trúc hành tinh cho rằng bên trong Sao Thổ có cấu trúc tương tự như của Sao Mộc, với một lõi đá cứng bao quanh bởi hiđrô và heli với một lượng nhỏ những hợp chất dễ bay hơi trong khí quyển.[29] Các nhà khoa học nghĩ rằng lõi này có thành phần tương tự như của Trái Đất nhưng có mật độ lớn hơn. Bằng kiểm tra mô men hấp dẫn của hành tinh, và kết hợp với mô hình vật lý về cấu trúc bên trong của hành tinh, đã cho phép các nhà thiên văn Didier Saumon và Tristan Guillot đưa ra giá trị giới hạn cho khối lượng phần lõi Sao Thổ. Năm 2004, họ tính ra được khối lượng của lõi bằng 9–22 lần khối lượng của Trái Đất,[30][31] và đường kính bằng 25.000km.[32] Lõi này được bao quanh bởi lớp hiđrô kim loại lỏng dày hơn, tiếp đến là lớp lỏng gồm heli và phân tử hiđrô bão hòa mà dần dần theo độ cao chúng chuyển sang pha khí. Lớp ngoài cùng dày khoảng 1000km và chứa bầu khí quyển Sao Thổ.[33][34][35]

Phần bên trong của Sao Thổ rất nóng, đạt tới nhiệt độ 11.700°C tại lõi, và hành tinh bức xạ nhiệt vào vũ trụ cao gấp 2,5 lần so với năng lượng bức xạ nó nhận được từ Mặt Trời. Đa số lượng năng lượng phát ra tuân theo cơ chế Kelvin–Helmholtz của quá trình hành tinh tự nén hấp dẫn chậm, nhưng nếu chỉ có duy nhất quá trình này thì không đủ giải thích lượng nhiệt Sao Thổ phát ra. Một cơ chế phụ khác có thể đó là Sao Thổ sinh ra nhiệt thông qua "sự mưa" của những giọt heli xuống sâu bên trong hành tinh. Khi những giọt này rơi qua lớp hiđrô mật độ thấp hơn giọt heli, quá trình này phát ra nhiệt lượng do sự ma sát giữa giọt và môi trường và quá trình này khiến cho tầng khí quyển Sao Thổ suy giảm lượng heli theo thời gian.[36][37] Những giọt heli rơi xuống sâu có thể tích tụ lại thành một lớp vỏ heli bao quanh cấu trúc bên trong hành tinh.[29] Giống với Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, các nhà khoa học đoán rằng trên Sao Thổ cũng xảy ra hiện tượng mưa kim cương.[38][39]

Lớp khí quyển bên ngoài của Sao Thổ chứa 96,3% phân tử hiđrô và 3,25% heli.[40] Tỉ lệ heli giảm đáng kể so với sự có mặt của nguyên tố này trong Mặt Trời.[29] Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác lượng các nguyên tố nặng hơn heli trong khí quyển hành tinh, nhưng họ giả sử rằng tỉ lệ những nguyên tố này bằng với tỷ lệ nguyên thủy của chúng từ lúc hình thành Hệ Mặt Trời. Tổng khối lượng của những nguyên tố nặng này vào khoảng 19–31 lần khối lượng Trái Đất, mà chúng tập trung chủ yếu tại vùng lõi Sao Thổ.[41]

Dấu vết có mặt của các phân tử amonia, acetylen, êtan, prôpan, phốtphin và mêtan đã được phát hiện ra trong khí quyển của Sao Thổ.[42][43][44] Các đám mây trên cao chứa tinh thể amonia, trong khi những đám mây thấp hơn hoặc là chứa amonium hydrosulfide (NH4SH) hoặc nước.[45] Bức xạ tử ngoại từ Mặt Trời làm cho mêtan bị quang ly trong tầng thượng quyển, dẫn đến một chuỗi các phản ứng hóa học hydrocarbon và các sản phẩm rơi xuống dưới sâu bởi những luồng cuộn xoáy và sự khuếch tán trong khí quyển. Chu trình quang hóa này bị chi phối bởi chu kỳ mùa trên Sao Thổ.[44]

Các tầng mâySửa đổi

Khí quyển Sao Thổ hiện lên với những dải màu sắc giống như của Sao Mộc, nhưng những dải màu của Sao Thổ mờ hơn và rộng hơn tại xích đạo hành tinh. Các nhà khoa học sử dụng cách gọi tên cho những dải này tương tự như đối với của Sao Mộc. Những dải mây mờ của Sao Thổ không được phát hiện ra cho đến khi tàu Voyager bay qua hành tinh trong thập niên 1980. Từ đó đến nay, các nhà thiên văn sử dụng những kính thiên văn trên mặt đất cũng như trên quỹ đạo đã quan sát được chi tiết hơn hình ảnh bầu khí quyển hành tinh này.[46]

Thành phần vật chất của những đám mây thay đổi theo độ cao cũng như sự tăng áp suất. Trong những tầng mây trên cao, với nhiệt độ trong khoảng 100–160 K và áp suất trong phạm vi 0,5–2 bar, những tầng mây này chứa băng amonia. Những đám mây băng nước bắt đầu tồn tại ở độ cao có áp suất khí quyển bằng khoảng 2,5 bar và xuống sâu tới áp suất 9,5 bar, nơi nhiệt độ trong phạm vi 185–270 K. Pha trộn trong lớp này đó là dải băng amonium hydrosulfide, nằm trong phạm vi áp suất 3–6 bar với nhiệt độ trong khoảng 290–235 K. Cuối cùng, những tầng mây thấp nhất, nơi áp suất khí quyển đạt 10–20 bar và nhiệt độ trong phạm vi 270–330 K, là vùng chứa những giọt nước với amonia trong dạng dung dịch lỏng.[47]

Tuy bề ngoài khí quyển nhạt nhẽo của Sao Thổ trông yên lặng nhưng thực tế nó có những cơn bão hình oval tồn tại lâu và có những đặc điểm khác thường thấy trên Sao Mộc. Năm 1990, kính thiên văn không gian Hubble chụp được một đám mây trắng khổng lồ gần xích đạo của Sao Thổ mà không xuất hiện khi tàu Voyager bay qua hành tinh vào năm 1994, các nhà thiên văn còn phát hiện ra một cơn bão nhỏ hơn khác. Cơn bão năm 1990 là một ví dụ của Vết Trắng Lớn, một hiện tượng khí quyển tồn tại ngắn nhưng duy nhất và chỉ xuất hiện một lần trong mỗi năm Sao Thổ, gần bằng 30 năm Trái Đất, trong khoảng thời gian hạ chí của bán cầu bắc.[48] Những Vết Trắng Lớn trước đó đã được quan sát vào các năm 1876, 1903, 1933 và 1960, với cơn bão năm 1933 là nổi tiếng nhất. Nếu hiện tượng này có tính chu kỳ ổn định, cơn bão khác sẽ xuất hiện vào khoảng năm 2020.[49]

Những cơn gió trong khí quyển Sao Thổ mạnh thứ hai so với những cơn gió thổi trên các hành tinh trong Hệ Mặt Trời. Dữ liệu từ tàu Voyager cho thấy vận tốc lớn nhất của những cơn gió thổi về hướng đông hành tinh đạt tới 500m/s (1.800km/h).[50] Trong những bức ảnh thu được từ tàu Cassini năm 2007, bán cầu bắc Sao Thổ hiện lên với màu xanh lam sáng, giống như màu của Sao Thiên Vương. Các nhà khoa học cho rằng những màu này chủ yếu là do hiện tượng tán xạ Rayleigh.[51] Ảnh hồng ngoại tiết lộ ra tại vùng cực nam Sao Thổ có một xoáy ấm vùng cực khí quyển (warm polar vortex), một hiện tượng duy nhất xảy ra trong Hệ Mặt Trời.[52] Trong khi nhiệt độ trung bình trong khí quyển Sao Thổ khoảng −185°C, nhiệt độ tại xoáy khí quyển này cao đạt đến −122°C, và các nhà khoa học tin rằng nó là điểm ấm nhất trên Sao Thổ.[52]

Các đám mây xếp thành hình lục giác ở cực bắcSửa đổi

Bài chi tiết: Lục giác Sao Thổ

Có một cấu trúc trong khí quyển hình lục giác bao quanh xoáy khí quyển gần cực bắc Sao Thổ, cấu trúc này nằm ở vĩ độ khoảng 78°B do tàu Voyager lần đầu tiên chụp được.[53][54]

Cạnh thẳng của lục giác vùng cực bắc dài xấp xỉ 13.800km, lớn hơn cả đường kính của Trái Đất.[55] Toàn bộ cấu trúc này quanh quay cực bắc với chu kỳ 10h 39m 24s (bằng với chu kỳ bức xạ vô tuyến của hành tinh) và các nhà khoa học giả thuyết rằng chu kỳ này bằng với chu kỳ tự quay của phần bên trong Sao Thổ.[56] Cấu trúc khí quyển lục giác không dịch chuyển dọc theo kinh độ giống như những đám mây khác trong khí quyển.[57]

Các nhà khoa học vẫn chưa hiểu được tại sao lại hình thành cấu trúc này. Đa số các nhà thiên văn nghĩ rằng nó hình thành từ những phần sóng đứng trong khí quyển. Những dạng hình đa giác đều cũng đã được quan sát trong các thí nghiệm với sự quay vi sai của chất lỏng.[58][59]

Cực namSửa đổi

Các bức ảnh do kính thiên văn Hubble chụp vùng cực nam cho thấy sự có mặt của một dòng khí tốc độ cao (jet stream), nhưng không hình thành nên xoáy khí quyển mạnh hay cấu trúc lục giác như ở cực bắc.[60] NASA công bố vào tháng 11 năm 2006 rằng tàu Cassini đã quan sát thấy một cơn bão dạng "xoáy thuận nhiệt đới" gần như đứng im ở cực nam Sao Thổ và xác định ra rõ ràng một mắt bão.[61][62] Quan sát này rất nổi bật vì đám mây với mắt bão không xuất hiện trước đó trên bất kỳ hành tinh nào trừ Trái Đất. Ví dụ, hình ảnh từ tàu Galileo đã không quan sát thấy mắt bão trong Vết Đỏ Lớn của Sao Mộc.[63] Cơn bão cực nam này có kích cỡ tương đương với Trái Đất, và những cơn gió ở đây có tốc độ lên đến 550km/h.[64]

Những đặc điểm khácSửa đổi

Năm 2006, tàu không gian Cassini đã quan sát thấy một dải mây với tên gọi "Chuỗi Ngọc trai" dài 60.000km ở bắc bán cầu. Những đặc điểm này chính là những vùng quang mây và cho phép con tàu này có thể chụp được những tầng mây ở sâu bên dưới.[65]

Thiên thể chính trong hệ Mặt Trời là Mặt Trời, 1 ngôi sao kiểu G2 thuộc dãy chính chứa 99,86% khối lượng của cả hệ và vượt trội về lực hấp dẫn.[10] 4 hành tinh khí khổng lồ của hệ chiếm 99% khối lượng còn lại, và khối lượng Sao Mộc kết hợp với khối lượng Sao Thổ thì chiếm >90% so với khối lượng tất cả các thiên thể khác.[c]

Hầu hết các thiên thể lớn có mặt phẳng quỹ đạo gần trùng mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất, gọi là mặt phẳng hoàng đạo. Mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh nằm rất gần với mặt phẳng hoàng đạo, trong khi các sao chổi và vật thể trong vành đai Kuiper thường có mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 1 góc lớn so với mặt phẳng hoàng đạo.[11][12] Mọi hành tinh và phần lớn các thiên thể khác quay quanh Mặt Trời theo chiều tự quay của Mặt Trời (ngược chiều kim đồng hồ, khi nhìn từ trên cực Bắc của Mặt Trời). Nhưng cũng có một số ngoại lệ, như sao chổi Halley lại quay theo chiều ngược lại.

Cấu trúc tổng thể của những vùng trong hệ Mặt Trời được vẽ ở hình bên chứa Mặt Trời, 4 hành tinh vòng trong tương đối nhỏ được bao xung quanh bởi 1 vành đai các tiểu hành tinh đá, 4 hành tinh khí khổng lồ được bao xung quanh bởi vành đai Kuiper chứa các thiên thể băng đá. Các nhà thiên văn học đôi khi không chính thức chia cấu trúc hệ Mặt Trời thành các vùng tách biệt. Hệ Mặt Trời bên trong bao gồm 4 hành tinh đá và vành đai tiểu hành tinh chính. Hệ Mặt Trời bên ngoài nằm bên ngoài vành đai tiểu hành tinh chính, bao gồm 4 hành tinh khí khổng lồ.[13] Từ khi khám phá ra vành đai Kuiper, phần bên ngoài của hệ Mặt Trời được coi là một vùng riêng biệt chứa các vật thể nằm bên ngoài Sao Hải Vương.[14]

Những định luật của Kepler về chuyển động thiên thể miêu tả quỹ đạo của các vật thể quay quanh Mặt Trời. Theo định luật Kepler, mỗi vật thể chuyển động theo quỹ đạo hình elip với Mặt Trời là 1 tiêu điểm. Các vật thể gần Mặt Trời hơn (với bán trục lớn nhỏ hơn) sẽ chuyển động nhanh hơn, do chúng chịu nhiều ảnh hưởng của trường hấp dẫn Mặt Trời hơn. Trên quỹ đạo elip, khoảng cách từ thiên thể tới Mặt Trời thay đổi trong 1 chu kỳ quỹ đạo. Vị trí thiên thể gần nhất với Mặt Trời gọi là cận điểm quỹ đạo, trong khi điểm trên quỹ đạo xa nhất so với Mặt Trời gọi là viễn điểm quỹ đạo. Trong hệ Mặt Trời, quỹ đạo của các hành tinh gần tròn, trong khi nhiều sao chổi, tiểu hành tinh và các vật thể thuộc vành đai Kuiper có quỹ đạo hình elip rất dẹt.

Khoảng cách thực tế giữa các hành tinh là rất lớn, tuy nhiên nhiều minh họa về hệ Mặt Trời vẽ khoảng cách quỹ đạo của các hành tinh đều nhau. Thực tế, đối với các hành tinh hay vành đai nằm càng xa Mặt Trời, thì khoảng cách giữa quỹ đạo của chúng càng lớn. Ví dụ, Sao Kim có khoảng cách đến Mặt Trời lớn hơn 0,33 đơn vị thiên văn (AU)[d] so với khoảng cách từ Sao Thủy đến Mặt Trời, trong khi của Sao Thổ cách xa 4,3AU so với Sao Mộc, và Sao Hải Vương cách xa 10,5AU so với Sao Thiên Vương. Nhiều nỗ lực đã thực hiện nhằm xác định tương quan khoảng cách giữa quỹ đạo của các hành tinh (ví dụ, quy luật Titius-Bode),[15] nhưng chưa có 1 lý thuyết nào được chấp nhận.

Đa phần các hành tinh trong hệ Mặt Trời sở hữu 1 hệ thứ cấp của chúng, có các vệ tinh tự nhiên hoặc vành đai hành tinh quay quanh hành tinh. Các vệ tinh này còn được gọi là Mặt Trăng. 2 vệ tinh tự nhiên Ganymede của Sao Mộc và Titan của Sao Thổ còn lớn hơn cả Sao Thủy). Các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, thậm chí cả 1 vệ tinh của Sao Thổ còn có các vành đai hành tinh là những dải mỏng chứa các hạt vật chất nhỏ quay quanh chúng. Hầu hết các vệ tinh tự nhiên lớn nhất đều quay đồng bộ với một mặt bán cầu luôn hướng về phía hành tinh.

Những thiên thể vòng trong có thành phần chủ yếu là đá,[16] tên gọi chung cho các hợp chất có điểm nóng chảy cao, như silicat, sắt hay nikel, tất cả vẫn duy trì ở trạng thái rắn từ khi trong giai đoạn tinh vân tiền hành tinh.[17] Sao Mộc và Sao Thổ có thành phần chủ yếu là khí, thuật ngữ thiên văn học cho những vật liệu có điểm nóng chảy cực thấp và áp suất hơi cao như hiđrô, heli, và neon, chúng luôn luôn ở pha khí trong các tinh vân.[17] Băng, như nước, methan, ammoniac, hiđrô sulfide và cacbon dioxide,[16] có điểm nóng chảy lên tới vài trăm Kelvin, trong khi pha của chúng lại phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ môi trường xung quanh.[17] Chúng có thể tìm thấy dưới dạng băng, chất lỏng, hay khí trong nhiều nơi thuộc hệ Mặt Trời, trong khi trong các tinh vân chúng chỉ ở trạng thái băng (rắn) hoặc khí.[17] Các chất băng đá là thành phần chủ yếu trên các Mặt Trăng của các hành tinh khí khổng lồ, cũng như chiếm phần lớn trong thành phần của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương (gọi là các "hành tinh băng đá khổng lồ") và trong rất nhiều các vật thể nhỏ nằm bên ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương.[16][18] Các chất khí và băng trong thiên văn học cùng được gọi là chất dễ bay hơi (volatiles).[19]

Sao Thổ được phân loại là hành tinh khí khổng lồ bởi vì nó chứa chủ yếu khí và không có một bề mặt xác định, mặc dù có thể có một lõi cứng ở trong.[25] Tốc độ tự quay nhanh của hành tinh khiến nó có hình phỏng cầu dẹt; tại xích đạo của Sao Thổ phình ra và hai cực dẹt đi. Khoảng cách giữa hai cực so với đường kính tại xích đạo chênh nhau tới 10%— lần lượt là 54.364km và 60.268km.[2] Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương cũng là những hành tinh khí khổng lồ nhưng chúng ít dẹt hơn. Sự kết hợp giữa tốc độ khi phồng và tốc độ tự quay có nghĩa làgia tốc bề mặt tác động dọc theo đường xích đạo, nằm cỡ 8,96m/s2, bằng 74% gia tốc ở hai cực và thấp hơn so với của Trái Đất. Tuy nhiên, vận tốc thoát ly tại xích đạo Sao Thổ là khoảng 36km/s, cao hơn nhiều so với của Trái Đất.

Sao Thổ là hành tinh duy nhất trong Hệ Mặt Trời có khối lượng riêng trung bình nhỏ hơn khối lượng riêng của nước; ít hơn khoảng 30% và do đó, là hành tinh có khối lượng riêng nhỏ nhất.[26] Mặc dù lõi của Sao Thổ có mật độ lớn hơn của nước, nhưng mật độ/khối lượng riêng trung bình của nó bằng 0,69 g/cm3 do bầu khí quyển khổng lồ của nó chiếm đa số về thể tích hành tinh. Sao Mộc có khối lượng cao gấp 318 lần khối lượng Trái Đất[27] trong khi khối lượng của Sao Thổ chỉ cao hơn 95 lần của Trái Đất.[2] Cộng lại, Sao Mộc và Sao Thổ chiếm 92% tổng khối lượng của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời.[28]

Cấu trúc bên trong

Thành phần chủ yếu của hành tinh là hiđrô, chúng trở thành chất lỏng không lý tưởng khi mật độ cao trên 0,01 g/cm3. Mật độ này đạt được ở bán kính nơi chứa 99,9% khối lượng của Sao Thổ. Nhiệt độ, áp suất và mật độ bên trong tăng dần dần về phía lõi, và tại những lớp sâu hơn trong hành tinh, hiđrô chuyển sang pha kim loại.[28]

Những mô hình chuẩn về cấu trúc hành tinh cho rằng bên trong Sao Thổ có cấu trúc tương tự như của Sao Mộc, với một lõi đá cứng bao quanh bởi hiđrô và heli với một lượng nhỏ những hợp chất dễ bay hơi trong khí quyển.[29] Các nhà khoa học nghĩ rằng lõi này có thành phần tương tự như của Trái Đất nhưng có mật độ lớn hơn. Bằng kiểm tra mô men hấp dẫn của hành tinh, và kết hợp với mô hình vật lý về cấu trúc bên trong của hành tinh, đã cho phép các nhà thiên văn Didier Saumon và Tristan Guillot đưa ra giá trị giới hạn cho khối lượng phần lõi Sao Thổ. Năm 2004, họ tính ra được khối lượng của lõi bằng 9–22 lần khối lượng của Trái Đất,[30][31] và đường kính bằng 25.000km.[32] Lõi này được bao quanh bởi lớp hiđrô kim loại lỏng dày hơn, tiếp đến là lớp lỏng gồm heli và phân tử hiđrô bão hòa mà dần dần theo độ cao chúng chuyển sang pha khí. Lớp ngoài cùng dày khoảng 1000km và chứa bầu khí quyển Sao Thổ.[33][34][35]

Phần bên trong của Sao Thổ rất nóng, đạt tới nhiệt độ 11.700°C tại lõi, và hành tinh bức xạ nhiệt vào vũ trụ cao gấp 2,5 lần so với năng lượng bức xạ nó nhận được từ Mặt Trời. Đa số lượng năng lượng phát ra tuân theo cơ chế Kelvin–Helmholtz của quá trình hành tinh tự nén hấp dẫn chậm, nhưng nếu chỉ có duy nhất quá trình này thì không đủ giải thích lượng nhiệt Sao Thổ phát ra. Một cơ chế phụ khác có thể đó là Sao Thổ sinh ra nhiệt thông qua "sự mưa" của những giọt heli xuống sâu bên trong hành tinh. Khi những giọt này rơi qua lớp hiđrô mật độ thấp hơn giọt heli, quá trình này phát ra nhiệt lượng do sự ma sát giữa giọt và môi trường và quá trình này khiến cho tầng khí quyển Sao Thổ suy giảm lượng heli theo thời gian.[36][37] Những giọt heli rơi xuống sâu có thể tích tụ lại thành một lớp vỏ heli bao quanh cấu trúc bên trong hành tinh.[29] Giống với Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, các nhà khoa học đoán rằng trên Sao Thổ cũng xảy ra hiện tượng mưa kim cương.[38][39]

Lớp khí quyển bên ngoài của Sao Thổ chứa 96,3% phân tử hiđrô và 3,25% heli.[40] Tỉ lệ heli giảm đáng kể so với sự có mặt của nguyên tố này trong Mặt Trời.[29] Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác lượng các nguyên tố nặng hơn heli trong khí quyển hành tinh, nhưng họ giả sử rằng tỉ lệ những nguyên tố này bằng với tỷ lệ nguyên thủy của chúng từ lúc hình thành Hệ Mặt Trời. Tổng khối lượng của những nguyên tố nặng này vào khoảng 19–31 lần khối lượng Trái Đất, mà chúng tập trung chủ yếu tại vùng lõi Sao Thổ.[41]

Dấu vết có mặt của các phân tử amonia, acetylen, êtan, prôpan, phốtphin và mêtan đã được phát hiện ra trong khí quyển của Sao Thổ.[42][43][44] Các đám mây trên cao chứa tinh thể amonia, trong khi những đám mây thấp hơn hoặc là chứa amonium hydrosulfide (NH4SH) hoặc nước.[45] Bức xạ tử ngoại từ Mặt Trời làm cho mêtan bị quang ly trong tầng thượng quyển, dẫn đến một chuỗi các phản ứng hóa học hydrocarbon và các sản phẩm rơi xuống dưới sâu bởi những luồng cuộn xoáy và sự khuếch tán trong khí quyển. Chu trình quang hóa này bị chi phối bởi chu kỳ mùa trên Sao Thổ.[44]

Các tầng mây

Khí quyển Sao Thổ hiện lên với những dải màu sắc giống như của Sao Mộc, nhưng những dải màu của Sao Thổ mờ hơn và rộng hơn tại xích đạo hành tinh. Các nhà khoa học sử dụng cách gọi tên cho những dải này tương tự như đối với của Sao Mộc. Những dải mây mờ của Sao Thổ không được phát hiện ra cho đến khi tàu Voyager bay qua hành tinh trong thập niên 1980. Từ đó đến nay, các nhà thiên văn sử dụng những kính thiên văn trên mặt đất cũng như trên quỹ đạo đã quan sát được chi tiết hơn hình ảnh bầu khí quyển hành tinh này.[46]

Thành phần vật chất của những đám mây thay đổi theo độ cao cũng như sự tăng áp suất. Trong những tầng mây trên cao, với nhiệt độ trong khoảng 100–160 K và áp suất trong phạm vi 0,5–2 bar, những tầng mây này chứa băng amonia. Những đám mây băng nước bắt đầu tồn tại ở độ cao có áp suất khí quyển bằng khoảng 2,5 bar và xuống sâu tới áp suất 9,5 bar, nơi nhiệt độ trong phạm vi 185–270 K. Pha trộn trong lớp này đó là dải băng amonium hydrosulfide, nằm trong phạm vi áp suất 3–6 bar với nhiệt độ trong khoảng 290–235 K. Cuối cùng, những tầng mây thấp nhất, nơi áp suất khí quyển đạt 10–20 bar và nhiệt độ trong phạm vi 270–330 K, là vùng chứa những giọt nước với amonia trong dạng dung dịch lỏng.[47]

Tuy bề ngoài khí quyển nhạt nhẽo của Sao Thổ trông yên lặng nhưng thực tế nó có những cơn bão hình oval tồn tại lâu và có những đặc điểm khác thường thấy trên Sao Mộc. Năm 1990, kính thiên văn không gian Hubble chụp được một đám mây trắng khổng lồ gần xích đạo của Sao Thổ mà không xuất hiện khi tàu Voyager bay qua hành tinh vào năm 1994, các nhà thiên văn còn phát hiện ra một cơn bão nhỏ hơn khác. Cơn bão năm 1990 là một ví dụ của Vết Trắng Lớn, một hiện tượng khí quyển tồn tại ngắn nhưng duy nhất và chỉ xuất hiện một lần trong mỗi năm Sao Thổ, gần bằng 30 năm Trái Đất, trong khoảng thời gian hạ chí của bán cầu bắc.[48] Những Vết Trắng Lớn trước đó đã được quan sát vào các năm 1876, 1903, 1933 và 1960, với cơn bão năm 1933 là nổi tiếng nhất. Nếu hiện tượng này có tính chu kỳ ổn định, cơn bão khác sẽ xuất hiện vào khoảng năm 2020.[49]

Những cơn gió trong khí quyển Sao Thổ mạnh thứ hai so với những cơn gió thổi trên các hành tinh trong Hệ Mặt Trời. Dữ liệu từ tàu Voyager cho thấy vận tốc lớn nhất của những cơn gió thổi về hướng đông hành tinh đạt tới 500m/s (1.800km/h).[50] Trong những bức ảnh thu được từ tàu Cassini năm 2007, bán cầu bắc Sao Thổ hiện lên với màu xanh lam sáng, giống như màu của Sao Thiên Vương. Các nhà khoa học cho rằng những màu này chủ yếu là do hiện tượng tán xạ Rayleigh.[51] Ảnh hồng ngoại tiết lộ ra tại vùng cực nam Sao Thổ có một xoáy ấm vùng cực khí quyển (warm polar vortex), một hiện tượng duy nhất xảy ra trong Hệ Mặt Trời.[52] Trong khi nhiệt độ trung bình trong khí quyển Sao Thổ khoảng −185°C, nhiệt độ tại xoáy khí quyển này cao đạt đến −122°C, và các nhà khoa học tin rằng nó là điểm ấm nhất trên Sao Thổ.[52]

Các đám mây xếp thành hình lục giác ở cực bắc

Bài chi tiết: Lục giác Sao Thổ

Có một cấu trúc trong khí quyển hình lục giác bao quanh xoáy khí quyển gần cực bắc Sao Thổ, cấu trúc này nằm ở vĩ độ khoảng 78°B do tàu Voyager lần đầu tiên chụp được.[53][54]

Cạnh thẳng của lục giác vùng cực bắc dài xấp xỉ 13.800km, lớn hơn cả đường kính của Trái Đất.[55] Toàn bộ cấu trúc này quanh quay cực bắc với chu kỳ 10h 39m 24s (bằng với chu kỳ bức xạ vô tuyến của hành tinh) và các nhà khoa học giả thuyết rằng chu kỳ này bằng với chu kỳ tự quay của phần bên trong Sao Thổ.[56] Cấu trúc khí quyển lục giác không dịch chuyển dọc theo kinh độ giống như những đám mây khác trong khí quyển.[57]

Các nhà khoa học vẫn chưa hiểu được tại sao lại hình thành cấu trúc này. Đa số các nhà thiên văn nghĩ rằng nó hình thành từ những phần sóng đứng trong khí quyển. Những dạng hình đa giác đều cũng đã được quan sát trong các thí nghiệm với sự quay vi sai của chất lỏng.[58][59]

Cực nam

Các bức ảnh do kính thiên văn Hubble chụp vùng cực nam cho thấy sự có mặt của một dòng khí tốc độ cao (jet stream), nhưng không hình thành nên xoáy khí quyển mạnh hay cấu trúc lục giác như ở cực bắc.[60] NASA công bố vào tháng 11 năm 2006 rằng tàu Cassini đã quan sát thấy một cơn bão dạng "xoáy thuận nhiệt đới" gần như đứng im ở cực nam Sao Thổ và xác định ra rõ ràng một mắt bão.[61][62] Quan sát này rất nổi bật vì đám mây với mắt bão không xuất hiện trước đó trên bất kỳ hành tinh nào trừ Trái Đất. Ví dụ, hình ảnh từ tàu Galileo đã không quan sát thấy mắt bão trong Vết Đỏ Lớn của Sao Mộc.[63] Cơn bão cực nam này có kích cỡ tương đương với Trái Đất, và những cơn gió ở đây có tốc độ lên đến 550km/h.[64]

Những đặc điểm khác

Năm 2006, tàu không gian Cassini đã quan sát thấy một dải mây với tên gọi "Chuỗi Ngọc trai" dài 60.000km ở bắc bán cầu. Những đặc điểm này chính là những vùng quang mây và cho phép con tàu này có thể chụp được những tầng mây ở sâu bên dưới.[65]