虽然水星表面的温度在白天是非常的高，但观测的结果仍然强烈的支持冰存在于水星。在极区深坑的底部从未被阳光直接照射过，温度依然维持在102K以下，远低于全球的平均温度。水冰强烈的反射了雷达，金石70米的望远镜和VLA在1990年代早期的观测，透漏了在接近极区有非常高的雷达反射斑点。虽然冰不是造成这些反射区域的可能原因，但天文学家相信冰是最有可能的。
相信冰的区域拥有大约1014–1015千克的冰，并且可能覆盖着一层表岩屑，抑制了升华。相较之下，地球南极的冰层大约有4×1018千克的冰，火星南极的冰帽大约有1016千克的冰。水星上冰的来源还不清楚，但有两种最可能的来源：从行星内部排放出来的，或是彗星撞击造成的沉积。2012年11月29日，水星探测卫星信使号团队发言人表示，科学家在水星北极区域永远晒不到太阳的阴暗坑洞内发现大量冻冰。
水星不仅太小，而且太热，因此它的引力不足以长期留住大气层；但它确实有一个稀薄的、局限在表面的外逸层，包含着氢、氦、氧、硫、钙、钾和其它元素。这个外逸层并不稳定，原子会不断的失去和由其它不同的来源获得补充。氢和氦可能来自太阳风，并在逃逸回太空之前先扩散至水星的磁层。元素的放射性衰变是水星地壳内氦、钠和钾的另一个来源。信使号发现钙、氦、氢氧化物、镁、氧、钾、硅和钠的比例偏高。也有水蒸气的存在，组合的过程发表如下：彗星撞击其表面，溅射创造出的水，其中的氢来自太阳风，氧来自岩石，和在极区坑洞内永久阴影下储存的冰升华。检测到许多由水释出的离子，如O+、OH-、和H3O+则是一个惊喜。由于这些为数可观的离子是在水星的太空环境中发现的，因此科学家推测是被太阳风从水星表面或外逸层摧毁的分子。[7]在1980-1990年代，在大气层中发现钠、钾、钙，相信主要是表面的岩石被微陨石撞击汽化导致的。在2008年，信使号探测器发现了镁。研究指出，钠的排放是区域性的点，对应于这颗行星的磁极。这将显示出在磁层和行星表面之间的交互作用。
在太阳的强烈辐射轰击下，水星大气被向后压缩延伸开去，在背阳处形成一个“尾巴”，就像一颗巨大的彗星。然而更诡异的一点是，水星事实上还在不断的损失其大气气体成分。组成水星大气的原子不断的被遗失到太空之中，由于钾或钠原子在一个水星日上大约有3小时的平均“寿命”。
因此，正如所罗门博士指出的那样“你需要不断的进行补充方能维持大气层的存在。”科学家们认为水星的补充方式是捕获太阳辐射的粒子，以及被微型陨石撞击后溅起的尘埃颗粒。散失的大气不断地被一些机制所替换，如被行星引力场俘获的火山蒸汽以及两极的冰冠的除气作用。
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