卡西尼號上的離子與中性質譜儀（ion and neutral mass spectrometer）和電漿光譜儀（plasma spectrometer）在2005年11月26日、2007年8月30日和2010年3月2日分別偵測到土衛五表面的氧氣和二氧化碳；其中密度最高可達每立方公尺500億個氧分子，或是每立方公尺200億個二氧化碳分子。Teolis等人估計土衛五表面的氧氣濃度僅約地球表面的5兆分之一以下。然而從這個研究結果，科學家瞭解到：僅由星體表面物質分解過程，就可以獲得比月球或水星外氣層還濃100倍左右的氧分子濃度，而且或許這種化學過程相當普遍，太陽系、甚至整個宇宙中許多冰質天體表面都可能有類似的複雜化學過程，可形成氧和二氧化碳，提供了生命所需的先備物質。
先前利用環繞木星的伽利略號太空船（Galileo）和哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）進行遙測時，科學家就已經懷疑土衛五有稀薄的氧和二氧化碳大氣。卡西尼號先前也曾間接偵測到從土星環冰質粒子受到太陽紫外輻射撞擊而逸散出的氧氣。但這次卡西尼號是在距離土衛五僅101公里的地方，直接偵測到氧和二氧化碳的存在，意義自然不同。
