美国宇航局的卡西尼号土星探测器第一次“闻到”了土星的冰卫星土卫四表面的氧离子，确认其表面存在着非常稀薄的气体。这些氧离子是很少的，每11立方厘米才有一个，合为90000个每立方米。但这也足够说明土卫四有一个相当薄的中性大气。
土卫四的表面大气密度只相当于地球上空480千米处的大气层。这次发现发表在了最近一期的地球物理快报上。
“我们现在知道了除了土星光环和土卫五外，土卫四也是一个氧分子的来源”，该发现论文的第一作者、卡西尼研究小组的成员Robert Tokar说，“这说明了分子氧在土星系统里是相当的普遍，同时也突出了氧气并不需要借助生命而可以通过某种过程而产生。”
土卫四的假彩色图像，显示出这颗冰卫星自它形成以来经历了多次地质活动。
土卫四的氧气可能来源于太阳射线或者来自外太空的宇宙高能粒子对卫星表面水冰的轰击，从而释放出氧分子。另外还有一些科学家正在寻找其他的来源途径，包括地质上的，这也可以用来解释氧气的来源。
“科学家们之前并不确信以土卫四的大小能够束缚住一个外逸层（大气层），但这次新发现显示了土卫四超乎我们之前的想象，”美国宇航局喷气动力实验室卡西尼项目的科学家Amanda Hendrix说，他本人并不直接参与这项研究。“科学家们现在正努力挖掘卡西尼关于土卫四的观测数据，试图更详细地观察这颗卫星。”
地球、金星、火星和土星最大的卫星泰坦（土卫六），他们是太阳系中具有大气层的为数不多的固体天体，但他们的大气层远比土卫四的浓厚。另外，卡西尼项目的科学家们在2010年也发现了土卫五具有一个非常稀薄的外逸层，土卫四的大气和其非常相像，土卫四和土卫五表面的氧气浓度比地球表面的要低上5万亿倍！
Tokar说科学家们根据哈勃空间望远镜早前观测到土卫五上有臭氧就已经在怀疑土卫四表面有氧分子的存在。但他们直到卡西尼在2010年4月7日第二次飞越土卫五的时候成功地用等离子光谱仪探测到氧离子后才确认这个猜测。在那一次飞越中，卡西尼号从距离土卫五表面503公里处的上空飞过。
卡西尼项目的科学家们在2011年12月12日卡西尼号非常近距离的飞越中使用离子和中性质谱仪进行探测，从而确认了土卫四有一个非常稀薄的大气层。通过对这两颗卫星的探测数据进行对比，科学家们将可以发现土卫四的外逸层是否还含有其他的气体分子。