木卫一的表面与太阳系中其他星体孑然不同，这使得旅行者号的科学家在第一次接触
时非常惊奇。他们原以为在类地星体上应布满了受撞击后留下的大大小小的环形山，然后以单位面积内留下的“弹坑”来估计星球外壳的年龄。但实际上木卫一的表面环形山太少，简直屈指可数。这样看来，该表面非常年轻。
除了环形山，旅行者1号发现了数百破火山口，其中的一些仍然活跃！羽毛状的喷出物高达300千米，这些惊人的照片由伽利略号与旅行者号传回。这可能是旅行者号任务中最重要的单一发现，这是类地星体内部炽热与活动的第一份实际证明。这些物质看来是以硫或二氧化硫的形式从火山口中的喷出。火山爆发相当迅速，只是在旅行者1号和旅行者2号4个月中先后到达的时间里，一些活动停止，另一些则又开始了。在喷口周围的堆积物同样有可见的变化。
最近从安放在夏威夷的Mau
aKea的NASA红外线望远镜设备获得的照片看来，木卫一有一次新的巨大的火山爆发。在RaPate
a地区的新情况已被哈博望远镜所看到。来自伽利略号的图片也显示了自旅行者号与其接触后其表面的一些变化。这些观察证明了木卫一的表面实在相当活跃。
木卫一有令人惊异的多种地形：有向下有数千米深的火山口，有炽热的硫湖，有很明显不过的非火山的连绵山脉，流淌着数百千米长的粘稠的液体（硫的某种形式），还有一些火山喷口。硫和其化合物的多种颜色使得木卫一表面的颜色多样化。
对旅行者号的图片分析使得科学家确信木卫一表面的熔岩流大多由炽热的硫的化合物组成。然而，接下去的基于地表的研究表明对那里温度过高，不会有液态硫。一个当前彩的说法是，木卫一的熔岩流是由炽热的硅酸盐岩石组成的。最近的哈博望远镜的观察表明那些物质中可能富含钠，或者说那里不同的地方物质有着不同的组成成份。它所有活动所需要的能量可能来自与它与木卫二，
木卫三及木星之间的交互引潮力。这三颗卫星的共动关系固定，木卫一的公转周期是木卫二的两倍，后者是木卫三的两倍。虽然木卫一就像地球的卫星月球一般，只用固定的一面朝向其主星，由于木卫二与木卫三的作用使它有一点点不稳定。它使木卫一扭动、弯曲，大约有100米长（100的大潮！），并在复原扭曲的循环中产生能量。（月亮并不是由这种方式被地球加热，因为它缺少另一个星体扰乱它。）
木卫一同样切割木星的磁场线，生成电流。对于引潮力而言由此产生的能量不多，但电流的功率仍有1兆瓦特。它也剥去了一些木卫一的物质，并在木星周围产生强烈的凸起状辐射。在凸出面中脱离的粒子部分地造成了木星的巨大磁层。来自伽利略号的最近数据显示木卫一可能有自己的磁场，就像木卫三一样。
木卫一有稀薄的大气，由二氧化硫与其他气体组成，木卫一上有许多火山。
不像其他伽利略发现的卫星，木卫一几乎没有水。这可能由于在太阳系进化过程的初期，木星太热，使得木卫一附近的可挥发性物质被蒸发，而它又并非过热而把所有水份榨干。
木卫一附近之所以有氢云、钠云，是因为原子从卫星的弱引力场中逃逸，飘散到周围空间，但又被木星的巨大引力场束缚住。原子云就展布在“木星空间”，集中在发源地木卫一附近。至于电离层，则是由太阳紫外线电离木卫一的外层大气中的原子造成的。
1979年3月，“旅行者”1号空间探测器发现木卫一的表面比较平坦，不像一般天体那样有众多的环形山。这个空间探测器还在木卫一上发现了至少有六座活火山，以每小时1.600公里的速度喷发着气体和固体物质，喷出物高度可达450公里。火山活动区的直径有的达200公里，火山喷发的强度比地球上大得多。
此外，木卫一还有一个红色的极冠；当木卫一从木星影锥中钻出来时，有长达15分钟的亮度增强。射电天文学家还观测到木星射电噪暴的强度同木卫一在轨道上的位置有密切联系。
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