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多环结构产生的原因可能是撞击事件发生之后处在柔软或流动物质——如海洋之上的岩石圈产生的同心环状的断裂。撞击坑链则是一长串链状、呈直线分布于星体表面的撞击坑，它们可能是木卫四被过于接近木星而受到引力潮汐作用解体的天体撞击之后形成的，也可能是遭受小角度撞击后产生的。前一种情况得到了苏梅克-列维9号彗星撞击事件的印证。
沃尔哈拉多环结构正如前文所提及的，木卫四上还存在着由纯冰体构成的、反照率高达0.8的斑块地形，其四周为较暗的物质所环绕。伽利略号的高分辨率照片显示这些较明亮的斑块主要位于抬升地形上：如撞击坑坑缘、悬崖、山脊和瘤状地形。这种斑块可能是一层薄薄的霜体沉积。较暗的物质通常位于四周地势较低且较平坦的地带，如撞击坑坑底和撞击坑之间的低洼地带，它们将原本的霜体沉积物覆盖住，故而该地区显得较暗，形成了直径达5公里以上的暗斑。
在几公里的级别上，较之其他伽利略卫星的表面，木卫四的表面地形现出了更多的退化特征。例如相比较与其他卫星，如木卫三的暗区，木卫四的表面即缺乏直径小于1公里的撞击坑，取而代之的是无处不在的小型瘤状地形和陷坑。
瘤状地形被认为是撞击坑经历了迄今为止还不为人知的退化过程而形成的坑缘残迹，这种退化很可能是冰体的缓慢升华造成的——当木卫四运行至日下点时，其向阳面温度会达到165K以上，此时冰体即会出现升华现象：基岩引起其上的脏冰分解，从而使得其中的冰体水和其他易挥发物质升华。而残骸中的非冰质残余物则发生崩塌，从撞击坑坑缘的坡上下落。这种崩塌经常在撞击坑附近和撞击坑内部出现，被称为“周边碎片”(deb
is ap
o
s)。
此外，有些撞击坑的坑缘被一些蜿蜒的、类似峡谷的切口（它们被称为沟壑）所切割，这些沟壑看起来有点像火星表面的峡谷。在冰体升华假说中，位于低洼地带的暗色物质被解释为主要由来自退化的撞击坑坑缘的非冰质物质组成的覆盖层，它覆盖了木卫四表面大部分的冰体基岩。
塌陷地形和瘤状地形通过各地质单元所覆盖的撞击坑的密度，人们可以推断出它们的相对年龄：撞击坑分布密度越大，该地质单元相对年龄越大。但是它们的绝对年龄却还无法确定，不过根据理论预测，撞击坑平原的地质年龄被认为长达45亿年，几乎可以追溯到太阳系的形成时期。多环结构和撞击坑的地质年龄则取决于其所在区域的撞击坑密度，由此得出的估计年龄从10亿年到40亿年不等。
木卫四周围的感应磁场木卫四拥有一层非常稀薄的大气，主要由二氧化碳构成。伽利略号上的近红外测绘分光仪(Nea
I
f
a
ed Mappi
g Spect
omete
，NIMS)在4.2微米段勘查到该大气层的吸收特征，从而证实了它的存在。据估计其表面压力为7.5 × 10⁻¹²巴，粒子密度为4 × 10⁸ cm⁻³。这层大气是如此稀薄，仅仅需要四天，组成它的物质就会逃逸殆尽，所以该大气一定源源不断的得到了补充，补充来源可能是从该星体冰质地壳中升华出的干冰，这也与该星体表面明亮地区瘤状地形的冰体升华形成假说相契合 。
木卫四的电离层则是在伽利略号的数次飞掠中被首次发现，其高电子密度为7-17 × 10⁴ cm⁻³，这种密度与大气中二氧化碳的光致电离作用的效果不相符合。所以有人预测木卫四大气层的组要成分应该是氧气（含量为二氧化碳的10倍到100倍），但是尚未在该大气中探测到氧气的存在。
木卫四（左下角）、木星和木卫二（位于木星大红斑的左下方）。木卫四是距离木星最远的伽利略卫星，其轨道距离木星约188万公里(是木星半径——7万1398公里——的26.3倍)，比之距离木星次近的木卫三的轨道半径——107万公里——远得多。由于轨道半径较大，故其并不处于轨道共振状态，可能永远也不会处于这种状态。
木卫四不参与轨道共振，这意味着它永远都不会产生明显的潮汐热效应，而潮汐热效应是星体内部结构分化和发育的重要动力。由于距离木星较远，所以其表面来自木星磁场的带电粒子流较弱——比之木卫二表面的带电粒子流弱了300倍。所以较之其他几颗伽利略卫星，木卫四表面的带电粒子光渗效应较弱。
和大部分的卫星一样，木卫四是一颗同步自转卫星，即木卫四的自转周期等同于其公转周期，约为16.7个地球日。其轨道离心率很小，轨道倾角也很小，接近于木星赤道，同时在数百年的周期里，轨道的离心率和倾角还会以周期函数的形式受到太阳和木星引力摄动的影响。变化范围分别为0.0072-0.0076和0.20-0.60°。这种轨道的变化使得其转轴倾角在0.4-1.6°之间变化。
木卫四内部结构的部分分层（该结论由无量纲转动惯量数值推断而出）表明该星体从未被充分加热以使其冰质部分融解。因此，其最可能的形成模型是低密度的木星次星云中的缓慢吸积过程。
这个持续时间甚久的吸积过程使得星体最终冷却，而无法保持在吸积过程、放射性元素衰变过程和星体收缩过程积聚的热量，从而阻断了冰体融化和快速分化过程。其形成阶段所耗时间大约在10万年到1000万年之间。
瘤状地形而之后木卫四的进一步演化则取决于放射性衰变的产热机制和靠近星体表面热传导的冷却机制之间的竞赛，以及星体内部到底是处于固态还是亚固态对流状态。冰体的亚固态对流的具体运动状况是所有冰卫星模型中最大的不确定性因素。
基于温度对冰体黏度的影响，当温度接近于冰体的熔点时，就会出现亚固态对流。在亚固态对流中，冰体的运动速度十分缓慢，大约为1厘米/年，但是从长期来看，亚固态对流事实上是非常有效的冷却机制。在木卫四寒冷而坚硬的表层——被称为“密封盖”（stag
a
t lid）——中，热量的传导并没有以对流形式进行；而在该层之下的冰体中，热量则是以亚固态对流形式进行传导。
对木卫四来说，外部的传导层即是厚度约为100公里的寒冷而坚硬的岩石圈。它的存在解释了为何木卫四表面没有任何内源性构造活动的迹象。而在木卫四内部，热对流可能是分层次的，因为在高压之下，冰体水会出现多种晶相，从星体表面的第一态冰到星体中心的第七态冰。
在早期，木卫四内部亚固态对流机制的运作阻止了冰体的大面积融化，而后者则会导致星体内部的分化，从而形成一个大型的岩石内核和冰质地幔。同时也由于对流作用的存在，冰体和岩石的部分分化持续了数十亿年之久，至今仍在缓慢进行中。
现今解释木卫四形成的观点考虑到了在其表面之下可能存在着一个地下海洋，其形成与冰体的第一晶相的熔点异常有关——其熔点随着压力的增大而降低，当压力达到2070巴时，熔点可低至251K。
在所有的木卫四现实模型中，位于100-200公里深处地层的温度都十分接近，甚至是略微超过了这个异常的熔点。而少量氨——比重约为1-2%——的存在则能够加大该深度液体存在的可能性，因为氨能够进一步降低冰体熔点。
尽管在很多方面木卫四和木卫三十分相似，但是前者的地质历史相对简单。在撞击事件和其他外力影响作用之前，该星体的表面即已基本成型。与拥有槽沟构造的邻近卫星木卫三相比，木卫四上甚少发现地质构造活动的迹象。
这种相对简单的地质历史对于行星科学家来说意义十分重大，他们可将该星体作为一个很好的基本参考对象，用来对比其他更加复杂的星体。
未来人类在木卫四上设置的基地的艺术想象图[40]20世纪70年代，先驱者10号和先驱者11号先后接近木星，获取了少量关于木卫四的新信息。真正的突破来自1979-1980年间旅行者1号和旅行者2号的考察。
它们对木卫四一半以上的表面进行了拍摄，图像分辨率在1-2公里之间，同时还精确地测量了木卫四的表面温度、质量和大小。第二波的考察在1994年至2003年间展开，其时伽利略号8次近距离飞掠木卫四，最后一次飞掠发生在2001年，当时伽利略号位于C30轨道上，距离木卫四表面仅138公里。伽利略号完成了对木卫四表面的全球测绘，并传回了大量分辨率达到15米的特定地区的照片。
2000年，卡西尼号在前往土星途中对包括木卫四在内的四颗伽利略卫星进行了高精度红外光谱探测。2007年2月至3月，新视野号探测器在前往冥王星途中经过木卫四，对其进行了拍摄和光谱分析。
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