Sao Mộc cũng có bầu khí quyển lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, mở rộng hơn 5000 km theo độ cao.[44][45] Do Sao Mộc không có bề mặt rắn, đáy của bầu khí quyển được coi là nơi có áp suất khí quyển bằng 10 bar, bằng 10 lần áp suất khí quyển tại bề mặt Trái Đất.[44]

Các tầng mây

Ảnh động minh họa chuyển động của các dải mây đi ngược chiều nhau trên khí quyển Mộc Tinh. Trong ảnh này, bề mặt hành tinh được chiếu theo phương pháp chiếu hình trụ.

Sao Mộc bị bao phủ vĩnh cửu các tầng mây chứa tinh thể amoniac và có thể amonium hiđrô sunfit. Các tầng mây nằm ở vị trí biên giới với tầng đối lưu và sắp xếp thành những dải mây khác nhau theo vĩ độ, mà các nhà thiên văn gọi là những "vùng nhiệt đới". Những vùng này được chia nhỏ thành những đới (zone) có màu sắc nhẹ và vành đai có màu tối hơn. Sự tương tác giữa những phần hoàn lưu là nguyên nhân hình thành các cơn bão và luồng xoáy. Tốc độ gió cỡ 100 m/s (360 km/h) là thường gặp trong zonal jets.[46] Các nhà khoa học cũng quan sát thấy các biến đổi theo độ rộng, màu sắc và mật độ ở những đới này theo năm, nhưng chúng vẫn có đủ độ ổn định cho phép họ đặt tên phân biệt từng đới.[25]

Các đám mây Sao Mộc
(Juno; chụp tháng 11 năm 2017)

Tầng mây sâu khoảng 50 km, và chứa ít nhất hai lớp mây: lớp dày và thấp phía dưới cong lớp mỏng ở phía trên. Cũng có những lớp mỏng chứa đám mây nước bên dưới lớp mây amoniac, chúng được phát hiện thông qua ánh chớp tia sét trong khí quyển Sao Mộc. Do nước trong các đám mây có tính phân cực tạo ra hiệu điện thế giữa các đám mây và gây nên sét.[34] Những hiện tượng phóng điện này có thể mạnh gấp hàng nghìn lần tia sét trong khí quyển Trái Đất.[47] Các đám mây nước có thể hình thành theo những cơn bão do luồng nhiệt dâng lên từ phía trong hành tinh.[48] Năm 2013, kính thiên văn không gian Herschel phát hiện ra sự phân bố của nước trong tầng bình lưu tập trung chủ yếu ở bán cầu nam Sao Mộc, và chứng tỏ thuyết phục rằng nước trên hành tinh này có nguồn gốc từ các sao chổi rơi xuống.[49]

Những đám mây có màu vàng và nâu trong khí quyển Sao Mộc là do những hợp chất bay lên cao khi chúng chịu bức xạ tia tử ngoại đến từ Mặt Trời. Các nhà khoa học vẫn chưa biết cơ chế chính xác, nhưng chất cơ bản trong các đám mây này là phốtpho, lưu huỳnh hoặc có thể là các hiđrô cácbon.[34][50] Những hợp chất màu sắc này, hay nhóm mang màu (chromophore), trộn lẫn vào trong các lớp mây thấp hơn và ấm hơn. Các đới hình thành do những vùng khí đối lưu dâng lên tạo ra hiện tượng tinh thể hóa của amoniac và cản trở các nhà khoa học có thể quan sát những lớp mây ở dưới thấp hơn.[51]

Độ nghiêng trục quay của Sao Mộc khá nhỏ có nghĩa là hai cực của nó không mấy khi nhận được nhiều bức xạ Mặt Trời hơn vùng xích đạo. Nhờ hiện tượng đối lưu xảy ra bên trong hành tinh mà lượng nhiệt nội lực được vận chuyển lên hai vùng cực, giúp cân bằng nhiệt độ giữa các tầng mây.[25]

Vết Đỏ Lớn và những xoáy khí quyển khác

Ảnh chụp Vết Đỏ Lớn và những vùng xung quanh chụp bởi tàu Voyager 1 ngày 25 tháng 2 năm 1979, khi con tàu cách hành tinh 9,2 triệu km. Chi tiết nhỏ nhất trong các đám mây có độ phân giải nhỏ nhất cỡ 160 km. Những phần mây cuộn sóng bên trái của Vết Đỏ Lớn là vùng sóng chuyển động biến động và rất phức tạp. Cơn bão màu trắng ngay bên dưới Vết Đỏ Lớn có đường kính xấp xỉ đường kính Trái Đất.

Đặc trưng nổi tiếng nhất của Sao Mộc có lẽ là Vết Đỏ Lớn, một cơn bão có chiều quay ngược với chiều tự quay của Sao Mộc và đường kính thường lớn hơn Trái Đất,[52] nằm ở vĩ độ Nam 22° dưới đường xích đạo. Nó đã tồn tại từ ít nhất năm 1831,[53] và có thể là từ 1665.[54][55] Một số mô hình toán học gợi ra rằng cơn bão là đặc trưng ổn định trong khí quyển hành tinh.[56] Kích thước cơn bão đủ lớn để nhận qua kính thiên văn nghiệp dư nhìn từ mặt đất với độ mở 12 cm hoặc lớn hơn.[57]

Vết Đỏ Lớn có hình oval quay ngược chiều kim đồng hồ, với chu kỳ khoảng sáu ngày.[58] Kích thước của nó vào khoảng 24–40.000 km × 12–14.000 km. Nó đủ lớn để chứa từ hai đến ba hành tinh có đường kính bằng của Trái Đất.[59] Độ cao lớn nhất của cơn bão khoảng 8 km bên trên so với những đỉnh các đám mây xung quanh.[60]

Những cơn bão như vậy là những đặc điểm thường gặp trong khí quyển hỗn loạn của các hành tinh khí khổng lồ. Sao Mộc cũng còn chứa một số cơn bão hình oval màu trắng và màu nâu nhỏ khác nhưng không được đặt tên chính thức. Những cơn bão oval màu trắng chứa các đám mây tương đối lạnh bên trên thượng quyển. Cơn bão màu nâu thì ấm hơn và nằm ở những "đám mây thông thường" thấp hơn. Những cơn bão này có thể tồn tại từ vài giờ cho đến hàng thế kỷ.

Chuỗi khung hình (kéo dài trên 1 tháng) khi tàu Voyager 1 tiếp cận Sao Mộc, cho thấy các dải mây chuyển động trong khí quyển, và hoàn lưu của Vết Đỏ Lớn.

Ngay cả khi tàu Voyager gửi về những đặc điểm của cơn bão này, đã có những manh mối thuyết phục về cơn bão không liên quan đến đặc điểm bất kỳ nào sâu ở bên dưới bề mặt hành tinh, như xoáy bão quay vi sai so với phần khí quyển còn lại bao quanh, đôi khi nhanh hơn đôi khi chậm hơn. Trong suốt thời gian các nhà thiên văn theo dõi hoạt động của vết đỏ trong lịch sử, nó đã đi vòng quanh hành tinh được vài lần so với bất kỳ một điểm cố định nào dưới nó.

Năm 2000, các nhà khoa học phát hiện một đặc điểm khí quyển hình thành phía nam bán cầu nhưng nhỏ hơn và giống với Vết Đỏ Lớn. Cơn bão nhỏ này hình thành khi một vài cơn bão oval trắng nhỏ hơn kết hợp lại thành một cơn bão duy nhất— ba cơn bão nhỏ hơn này đã được quan sát đầu tiên từ năm 1938. Các nhà khoa học đặt tên cho đặc trưng sáp nhập này là Oval BA, hay họ gọi là Vết Đỏ Nhỏ. Nó đã tăng mật độ và thay đổi màu sắc từ trắng sang đỏ.[61][62][63]