Parmi ces composés organiques, il se peut que l'on trouve de l'adénine, une des 4 bases de la molécule d'ADN. C'est pourquoi on dit que l'atmosphère de Titan est prébiotique, elle ressemblerait peut-être à l'atmosphère de la Terre avant l'apparition de la vie. L'épaisseur de l'atmosphère est de 1270 km (un peu plus grande que celle de la Terre) et la pression au sol est de 1.5 fois la pression à la surface terrestre. La température au sol est de -180°C.

Comme celle de la Terre, l'atmosphère de Titan peut être divisée en différentes couches, selon la façon dont la température évolue avec l'altitude (image 3):

• Troposphère: la température baisse avec l'altitude
• Stratosphère: la température augmente avec l'altitude
• Mésosphère: la température baisse à nouveau avec l'altitude
• Thermosphère: la température augmente à nouveau avec l'altitude (en moyenne jusqu'à 1000 m). Il s'agit de la dernière couche de l'atmosphère.

Il existe ou a existé un cycle similaire à celui de l'eau mais avec le méthane. On a donc des nuages de méthane qui se condensent pour former des pluies. Le méthane ruisselle ensuite au sol avant de s'évaporer pour recommencer le cycle. A cause des basses couches de l'atmosphère, la surface n'est pas observable dans le domaine des longueurs d'onde visible (longueurs d'onde de 400 à 700 nm). Par contre, dans l'infrarouge (1 à 300 mm) ou dans le domaine radio (plus de 10 cm), le rayonnement réfléchi par la surface peut traverser l'atmosphère. On dit que l'atmosphère est transparente aux infrarouges et aux ondes radios (images 1b et 1c et images 2a-d).

Cela a permis de montrer, avec les divers instruments de la sonde Cassini, que la surface est jeune avec peu de cratères. Certains paysages rappellent ceux des rivages et des bassins hydrologiques (les réseaux de cours d'eau qui se jettent les uns dans les autres) sur Terre (images 2). Mais on ne sait pas si ces "rivières" et ces "lacs" sont secs ou contiennent encore du méthane liquide. On a également décelé une activité cryovolcanique. Il existe aussi des dunes de poussières d'hydrocarbures (image 2c) et des montagnes hautes d'au moins 1000 m. Les montagnes ont été formées par compression de la croûte, de la même façon que les chaînes de montagnes terrestres. Ces montagnes se trouvent surtout sur une partie plus claire (sur les images radar) du satellite, appelée Xanadu (la zone au milieu à gauche sur l'image 1b).

Au bord de Xanadu, on observe une tache circulaire assez étrange. Il s'agit soit d'un cratère d'impact ou de la caldeira d'un cryovolcan. D'autres taches circulaires brillantes faisant penser à des volcans ont été repérées sur les images radar.

La mission Cassini-Huygens comprenait, en plus de la sonde Cassini, un petit atterrisseur nommé Huygens. Celui-ci s'est posé à la surface de Titan après une descente, freinée par des parachutes, de 2h30 dans l'atmosphère. Au sol, pendant un peu plus d'un heure, elle a photographié son entourage immédiat. Le sol est sombre et parsemé de cailloux qui sont en fait des blocs de glace d'eau sale de quelques dizaines de cm de large. Ces blocs auraient été "lissés" par l'érosion due aux coulées de méthane liquide. D'une certaine façon, les clichés pris par Huygens rappellent l'aspect de la surface de la planète Mars (image 4).

Titan aurait connu une évolution au cours de laquelle sa structure interne aurait beaucoup évolué. Il est composé majoritairement de glace et sa structure actuelle serait la suivante (image 5):

• Un noyau rocheux
• Une couche de glace à forte pression
• Une couche d'eau liquide additionnée d'ammoniac
• Une couche de surface faite de glace d'eau

Un scénario de l'évolution de Titan (image 6) a été récemment proposé par des chercheurs de l'université de Nantes (Tobie et al. 2006):

Le méthane présent dans l'atmosphère de Titan devrait disparaître en quelques dizaines de millions d'années à cause de la photochimie. L'atmosphère est donc continuellement alimentée en méthane. Celui-ci pourrait provenir de l'intérieur même de Titan.

On suppose qu'au moment de la formation de Titan, les conditions étaient telles que des "clathrates" on pu se former. Les clathrates sont des assemblages très stables de quelques molécules d'eau en forme de cage, et contenant une molécule de méthane. La glace d'eau ainsi formée contient du méthane et le libère lorsque les petites cages sont brisées suite à des perturbations.

500 millions d'années après sa formation, Titan était encore très chaud et couvert d'eau liquide; les clathrates sont remontées vers la surface pour constituer une croûte de glace d'une épaisseur de 50 km. Cette croûte empêche la chaleur interne de s'échapper vers l'espace et la température de l'océan interne augmente. Les clathrates en contact avec l'océan se brise et libèrent leur méthane qui remonte vers la surface à travers les failles de la croûte. Dans le même temps la croûte s'amincit et au bout de 2 milliards d'années, à cause de la chaleur accumulée dans le noyau, et qui est brutalement libérée, le reste de glace fond en masse et libère de grande quantité de méthane qui va ensuite se condenser en pluies et changer l'aspect de la surface. La croûte de glace n'a alors plus que 4 km d'épaisseur.

Ce modèle serait en accord avec l'âge estimé de 2 milliards d'années de la surface de Titan.

Ensuite le chauffage interne dû au noyau diminue et le méthane cesse d'être injecté dans l'atmosphère pendant le 1.5 milliards d'années qui suit. La partie supérieure de l'océan interne regèle ce qui entraîne une instabilité de la croûte et la création de mouvements internes de "convection solide". La glace plus froide descend et la glace plus chaude remonte, créant des points chauds et des volcans crachant de la glace fondue et du méthane. Le méthane est donc à nouveau injecté dans l'atmosphère et c'est ce processus qui serait encore à l'oeuvre aujourd'hui.