遠紫外輻射的高能電子轟擊之后而電離的。但是和大氣層一樣，木衛(wèi)三電離層的性質也引發(fā)了爭議。伽利略號的部分觀測發(fā)現(xiàn)在木衛(wèi)三表面的電子密度較高，表明其存在電離層，但是其他觀測則毫無所獲。通過各種觀測所測定的木衛(wèi)三表面的電子密度處于4002,5003范圍之間。及至2008年，木衛(wèi)三電離層的各項參數(shù)仍未被精確確定。

證明木衛(wèi)三含氧大氣存在的另一種方法是對藏于木衛(wèi)三表層冰體中的氣體進行測量。1996年，科學家們公布了針對臭氧的測量結果。1997年，光譜分析揭示了分子氧的二聚體（或雙原子分子）吸收功能，即當氧分子處于濃相狀態(tài)時，就會出現(xiàn)這種吸收功能，而如果分子氧藏于冰體之中，則吸收功能最佳。

二聚體的吸收光譜位置更多的取決于緯度和經度，而非表面的反照率——隨著緯度的提高，吸收光譜的位置就會上移。而相反的，隨著緯度的提高臭氧的吸收光譜則會下移。實驗室的模擬試驗表明，在木衛(wèi)三上表面溫度高于100k的地區(qū)，o?并不會聚合在一起，而是擴散至冰體中。

當在木衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了鈉元素之后，科學家們便開始在木衛(wèi)三的大氣中尋找這種物質，但是到了1997年都一無所獲。據(jù)估計，鈉在木衛(wèi)三上的豐度比木衛(wèi)二小13倍，這可能是因為其表面原本就缺乏該物質或磁圈將這類高能原子擋開了。木衛(wèi)三大氣層中存在的另一種微量成分是原子氫，在距該衛(wèi)星表面3000千米的太空即已能觀測到氫原子的存在。其在星體表面的數(shù)量密度約為15x10?3。

1995年至2000年間，伽利略號共6次近距離飛掠過木衛(wèi)三，發(fā)現(xiàn)該衛(wèi)星有一個獨立于木星磁場之外的、長期存在的、其本身所固有的磁矩，其大小估計為13x1013t·3，比水星的磁矩大三倍。其磁偶極子與木衛(wèi)三自轉軸的交角為176°，這意味著其磁極正對著木星磁場。磁層的北磁極位于軌道平面之下。

由這個長期磁矩創(chuàng)造的偶極磁場在木衛(wèi)三赤道地區(qū)的強度為719±2納特斯拉，超過了此處的木星磁場強度——后者為120納特斯拉。木衛(wèi)三赤道地區(qū)的磁場正對著木星磁場，這使其場線有可能重新聚合。而其南北極地區(qū)的磁場強度則是赤道地區(qū)的兩倍為1440納特斯拉，

長期存在的磁矩在木衛(wèi)三四周劃出一個空間，形成了一個嵌入木星磁場的小型磁層。木衛(wèi)三是太陽系中已知的唯一一顆擁有磁層的衛(wèi)星。其磁層直徑達45rgrg2,6312千米。在木衛(wèi)三上緯度低于30°的地區(qū)，其磁層的場線是閉合的，在這個區(qū)域，帶電粒子（如電子和離子）均被捕獲，進而形成輻射帶。

磁層中所含的主要離子為單個的離子化的氧原子——o+——這點與木衛(wèi)三含氧大氣層的特征相吻合。而在緯度高于30°的極冠地區(qū)場線則向外擴散，連接著木衛(wèi)三和木星的電離層。在這些地區(qū)已經發(fā)現(xiàn)了高能（高達數(shù)十甚至數(shù)百千伏）的電子和離子，可能由此而形成了木衛(wèi)三極地地區(qū)的極光現(xiàn)象。另外，在極地地區(qū)不斷下落的重離子則發(fā)生了濺射運動最終使木衛(wèi)三表面的冰體變暗。

木衛(wèi)三磁層和木星磁場的相互影響與太陽風和地球磁場的相互作用在很多方面十分類似。如繞木星旋轉的等離子體對木衛(wèi)三逆軌道方向磁層的轟擊就非常像太陽風對地球磁場的轟擊。主要的不同之處是等離子體流的速度——在地球上為超音速，而在木衛(wèi)三上為亞音速。由于其等離子體流速度為亞音速，所以在木衛(wèi)三逆軌道方向一面的磁場并未形成弓形激波。

除了其本身固有的磁層外，木衛(wèi)三還擁有一個感應產生的偶極磁場，其存在與木衛(wèi)三附近木星磁場強度的變化有關。該感應磁場隨著木衛(wèi)三本身固有磁層方向的變化，交替呈放射狀面向木星或背向木星該磁場的強度較之木衛(wèi)三本身之磁場弱了一個數(shù)