Lớp khí quyển bên ngoài của Sao Thổ chứa 96,3% phân tử hiđrô và 3,25% heli.[36] Tỉ lệ heli giảm đáng kể so với sự có mặt của nguyên tố này trong Mặt Trời.[27] 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.[37]

Dấu vết có mặt của các phân tử amoniac, axetylen, êtan, prôpan, phốtphin và mêtan đã được phát hiện ra trong khí quyển của Sao Thổ.[38][39][40] Các đám mây trên cao chứa tinh thể amoniac, trong khi những đám mây thấp hơn hoặc là chứa amonium hydrosulfide (NH4SH) hoặc nước.[41] 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 hiđrôcacbon 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.[40]

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.[42]

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 amoniac. 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 amoniac trong dạng dung dịch lỏng.[43]

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 và 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.[44] 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.[45]

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 500 m/s (1.800 km/h).[46] 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.[47] 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.[48] 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.[48]

Các đám mây xếp thành hình lục giác ở cực bắc

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°N do tàu Voyager lần đầu tiên chụp được.[49][50]

Cạnh thẳng của lục giác vùng cực bắc dài xấp xỉ 13.800 km, lớn hơn cả đường kính của Trái Đất.[51] 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.[52] Cấu trúc khí quyển lục giác không dịch chuyển dọc theo kinh độ giống như những đám mây khác trong khí quyển.[53]

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.[54][55]

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.[56] 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.[57][58] 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.[59]

Những đặc điểm khác

Năm 2006, tàu không gian Cassini đã quan sát thấy một dải mây với tên gọi "Chuỗi Ngọc trai" dài 60.000 km 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.[60]