Hoạt hình ghép từ các ảnh chụp bởi Voyager 1 khi nó tiến gần tới Sao Mộc.

Các nhà thiên văn học thời xưa đã sử dụng kính viễn vọng nhỏ để ghi nhận lại sự thay đổi hình dạng của khí quyển Sao Mộc.[24] Những thuật ngữ chỉ về các dấu hiệu đặc trưng của khí quyển Sao Mộc - như các vành đai, các đới, các đốm nâu, các đốm đỏ, các cột mây,... - vẫn được sử dụng cho đến nay.[120] Các thuật ngữ khác như tính xoáy, chuyển động thẳng đứng, độ cao mây đã được đưa vào sử dụng sau này, vào thế kỷ 20.[24]

Các quan sát đầu tiên về khí quyển Sao Mộc ở độ phân giải cao hơn so với các kính viễn vọng trên Trái Đất đã được thực hiện bởi các chương trình Pioneer, các tàu Pioneer 10 và Pioneer 11. Hình ảnh thực sự chi tiết đầu tiên về khí quyển Sao Mộc đã được cung cấp bởi hai tàu của chương trình Voyager. Hai tàu vũ trụ này đã chụp được ảnh ở độ phân giải tới 5 km mỗi điểm ảnh, trong các phổ khác nhau, và cũng có khả năng tạo ra các "bộ phim" minh họa hành trình tiếp cận đến khí quyển đang chuyển động.[24] Tiếp theo là các chuyến thăm của tàu Ulysses, Galileo, Cassini, New Horizons, Juno. Tàu thăm dò Galileo, đã gặp một vấn đề với ăng-ten, quan sát được phần nhỏ hơn của khí quyển Sao Mộc nhưng ở độ phân giải trung bình tốt hơn và và trong dải phổ rộng hơn.[24]

Vết Lạnh Lớn của Sao Mộc, là đốm tối màu ở giữa vùng sáng màu trong ảnh nhiệt này, được phát hiện ở tầng nhiệt vùng cực vào năm 2017,[121] cho thấy ngoài các đặc điểm dễ quan sát ở tầng đối lưu, còn có các cấu trúc đặc trưng ở các tầng cao hơn.

Ngày nay, các nhà thiên văn học có được sự theo dõi liên tục về hoạt động khí quyển của sao Mộc nhờ các kính thiên văn như Kính thiên văn Không gian Hubble. Các kết quả quan sát liên tục cho thấy khí quyển Sao Mộc đôi khi bị ảnh hưởng bởi những rối loạn lớn, nhưng nói chung, nó rất ổn định.[24] Sự chuyển động thẳng đứng trong khí quyển Sao Mộc được xác định chủ yếu bằng việc lần theo các vết khí bằng kính thiên văn trên Trái Đất.[24] Các nghiên cứu quang phổ sau vụ va chạm sao chổi Shoemaker-Levy 9 đã cho ra một số thông tin sơ bộ về thành phần của Sao Mộc bên dưới những ngọn mây. Sự hiện diện của lưu huỳnh (S2) và cacbon disulfua (CS2) đã được ghi nhận - đây phát hiện đầu tiên về sự có mặt của hai chất này trên Sao Mộc, và là phát hiện thứ hai của S2 trong bất kỳ vật thể thiên văn nào - cùng với các phân tử khác như amoniac (NH3) và hydro sulfua (H2S), trong khi các phân tử mang oxy như lưu huỳnh dioxit không được phát hiện, đã khiến các nhà thiên văn học ngạc nhiên.[122]

Tàu thăm dò Galileo, khi hạ xuống khí quyển Sao Mộc, đã đo được vận tốc gió, nhiệt độ, thành phần hóa học, sự hiện diện của các đám mây, và nồng độ phóng xạ tới độ sâu ở áp suất 22 bar. Tuy nhiên, các thông tin ở các khu vực khác, nơi tàu thăm dò Galileo không hạ xuống, ở độ sâu dưới mức áp suất 1 bar, vẫn chưa có giá trị chắc chắn.[24]

Các khám phá mới về khí quyển Sao Mộc vẫn tiếp diễn, như việc phát hiện ra Vết Lạnh Lớn của Sao Mộc vào năm 2017 cho thấy ngoài các đặc điểm dễ quan sát ở tầng đối lưu, còn có các cấu trúc đặc trưng ở các tầng cao hơn.[121]

Nghiên cứu về Vết Đỏ Lớn

Ảnh chụp góc nhìn rộng Sao Mộc và Vết Đỏ Lớn, chụp từ Voyager 1 năm 1979.

Người đầu tiên nhìn thấy GRS thường được ghi nhận là Robert Hooke, người đã mô tả về một vết trên hành tinh này vào tháng 5 năm 1664; tuy nhiên, có khả năng là vết mà Hooke đã ghi chép nằm ở vành đai khác (Vành đai Xích đạo Bắc, thay vì vị trí hiện tại ở Vành đai Xích đạo Nam). Thuyết phục hơn nhiều là mô tả của Giovanni Cassini về một "đốm vĩnh cửu" trong năm sau đó (1665).[79] Đốm của Cassini được quan sát thấy từ năm 1665 đến năm 1713, ở các mức độ biểu kiến khác nhau.[123]

Một bí ẩn nhỏ liên quan đến một đốm trên Sao Mộc được miêu tả vào khoảng năm 1700 trên tấm vải của Donato Creti, được trưng bày tại Vatican.[124][125] Nó là một phần của một loạt các bảng trưng bày, trong đó các thiên thể khác nhau (được phóng to) được vẽ để làm nền cho các cảnh khác nhau của Ý. Quá trình tạo ra các bức vẽ này được giám sát bởi nhà thiên văn Eustachio Manfredi để đảm bảo tính chính xác. Bức tranh của Creti là bức đầu tiên được biết đến có mô tả GRS là màu đỏ. Không có điểm đặc trưng nào của Sao Mộc được miêu tả chính thức là màu đỏ trước cuối thế kỷ 19.[125]

GRS, theo đúng mô tả hiện tại, chỉ được nhìn thấy lần đầu sau năm 1830 và chỉ được nghiên cứu kỹ lưỡng sau một lần xuất hiện nổi bật vào năm 1879. Như vậy đã có một khoảng cách thời gian là 118 năm từ khám phá lần đầu vào thế kỷ 17 đến các quan sát được thực hiện sau năm 1830; liệu vết ban đầu đã tan biến và hình thành trở lại sau đó, liệu nó đã bị mờ đi rồi lại sáng lên, hoặc thậm chí liệu các bản ghi chép về các quan sát đơn giản chỉ là thiếu sót, tất cả đều chưa rõ.[96] Các vết cũ có một lịch sử quan sát ngắn và chuyển động chậm hơn GRS hiện đại, khiến cho chúng khó được định danh.[124]

Kính Camera Trường Rộng 3 của Hubble chụp được vùng GRS khi nó ở kích thước nhỏ nhất trong lịch sử.

Vào ngày 25 tháng 2 năm 1979, khi tàu vũ trụ Voyager 1 cách Sao Mộc 9,2 triệu km, nó đã truyền về Trái Đất những hình ảnh chi tiết đầu tiên của Vết Đỏ Lớn. Các chi tiết mây nhỏ tới 160 km đã được nhìn thấy. Các hình dạng mây lượn sóng, đầy màu sắc ở phía tây của GRS là vùng đuôi rẽ sóng, nơi có các chuyển động của mây cực kỳ phức tạp và biến động liên tục.[126]

Các bầu dục trắng

Các bầu dục trắng sẽ sáp nhập thành Bầu dục BA, được chụp ảnh bởi tàu quỹ đạo Galileo vào năm 1997.

Các bầu dục trắng, đã sáp nhập thành Bầu dục BA, được hình thành vào năm 1939. Chúng nằm trải dài trong một vùng rộng gần 90 độ theo kinh độ, ngay sau khi hình thành, nhưng nhanh chóng co nhỏ lại trong những thập kỷ sau đó; chiều dài của chúng ổn định ở mức 10 độ hoặc ít hơn sau năm 1965.[127] Mặc dù chúng ban đầu là các phân mảnh của STZ, chúng đã tiến hóa để rồi nằm hoàn toàn bên trong Vành đai Ôn đới Nam (STB), cho thấy rằng chúng đã di chuyển về phía bắc, "đào" một hốc vào STB.[128] Giống như GRS, vòng hoàn lưu của chúng bị kẹp giữa hai dòng tia ngược chiều nhau ở rìa bắc và rìa nam của chúng, với một dòng tia chảy về phía đông nằm ở rìa bắc và một dòng tia nghịch hành chảy theo hướng tây nằm ở rìa nam.[127]

Chuyển động địa đới của các bầu dục trắng dường như bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: vị trí của Sao Mộc trong quỹ đạo (chúng trở nên nhanh hơn khi Sao Mộc ở viễn điểm quỹ đạo) và khoảng cách đến GRS (chúng tăng tốc khi khoảng cách tới GRS nhỏ hơn 50 độ).[129] Xu hướng chung của tốc độ trôi dạt của các bầu dục trắng là giảm dần, giảm một nửa vào năm 1990 so với năm 1940.[130]

Trong chuyến bay ngang qua Sao Mộc của Voyager, các bầu dục trắng đã nằm trải rộng trong vùng có kích cỡ khoảng 9000 km từ đông sang tây, 5000 km từ bắc xuống nam và có chu kỳ quay khoảng năm ngày (so với chu kỳ quay sáu ngày của GRS vào thời điểm đó).[131]