木卫三是太阳系中最大的卫星，直径为5200公里，比月球大1.5倍，比水星更大。由于远离太阳，所以木卫三是一个冰冷的世界，主要由等量的岩石和水组成，据推测，木卫三的冰下海洋中的水比地球上所有的水多30倍，是太阳系中含水量最多的岩石星球。
木卫三具有一个稀薄的大气层，主要由氧分子组成。这些氧分子并不是植物呼吸作用产生的，而是由于带电粒子和太阳辐射撞击木卫三冰冷的表面时产生的。高能粒子将水分子分解成氢气和氧气，然而较轻的氢气会逃逸到宇宙空间中，剩下的氧气分子就会保留在大气层中。
因为木卫三上富含水（水冰），所以天文学家一直以来都推测在木卫三稀薄的大气层中一定也含有一些水，这些水分子主要是由于木卫三冰面上的水冰升华直接变成的水蒸气。
最近天文学家就使用哈勃太空望远镜的宇宙起源光谱仪研究了木卫三大气的化学成分，发现在木卫三太阳直射点附近水分子含量最高，其他地方的氧分子含量更高。
不过具体的结论需要等待2031年的欧洲空间局的木星冰月探测器 （JUICE）达到木星，并于2034年进入到木卫三轨道，对木卫三进行至少280天的详细观测和研究。木星冰月探测器搭载的一些科学仪器通过紫外线、光学、红外和亚毫米发射的遥感信号，以及中性粒子探测器的原位传感将会测量木卫三的中性气体环境，尤其是水分子的丰度，到时候我们就能够对木卫三大气成分有一个更确切的了解。
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