具有光环和一大群卫星，是四颗巨行星的共同特征。虽然这两点在重要程度和规模上存在差异，但每个环-卫星系统之间的相似之处比差异多。
环-卫星系统
巨行星的大多数外侧卫星都在偏心轨道上运行，通常与行星的自转方向相反。此外，许多外侧卫星的轨道相对它们的行星的赤道的倾角大于30°。这些天体因为引力太小，无法把自己拉成球形，再加上典型的轨道偏心、逆行和倾斜性质，于是被统称为“不规则卫星”。这些不规则卫星最大的有100千米宽，普通的只有几千米宽，是数量最多的一类卫星。据最新统计，木星有55颗不规则卫星，轨道半长轴从105到400个木星半径不等；土星有38颗不规则卫星，轨道半长轴从184到417个土星半径不等；天王星有9颗不规则卫星，轨道半长轴从167到818个天王星半径不等；海王星有6颗不规则卫星，轨道半长轴从223到1954个海王星半径不等。
而“规则卫星”是指那些在近圆形顺行轨道上的大型卫星。“规则卫星”离它们的行星要近得多，轨道相对其行星的赤道倾角很小。木星有4个“规则卫星”(伽利略发现的那些)，它们的轨道半长轴从5.9到26.3个木星半径不等。尽管规则卫星不符合国际天文学联合会对行星的定义，但它们都是实实在在的，在地质学上与类地行星有许多共同之处。土星有8颗规则卫星，除了一颗，其余的都比木星的规则卫星小得多。土星的8颗规则卫星的轨道半长轴分别从3到59个土星半径不等。天王星有5颗规则卫星，轨道半长轴分别从5到23个天王星半径不等。海王星有一颗大卫星——海卫一(Triton)，在半长轴为14个海王星半径的轨道上运行。尽管海卫一的轨道是逆行的，但它被认为是“规则的”。所有规则卫星(包括海卫一)都具有一个重要特征：潮汐力[1]对它们的控制很强，以至于它们处于同步旋转的状态，每公转一圈就自转一次，因此，就像地球的月球一样，规则卫星总是用同一面对着自己的行星。
我们在更近一些的地方发现了不规则形状的碎片块，于是很方便地将其分为“内侧超小卫星”。它们有圆形的、顺行的赤道轨道，组成行星环的微粒也是如此。考虑到一些内侧超小卫星的轨道位于环内，一个大的光环粒子和一个小的内侧超小卫星之间可能没有根本的区别。木星只有4颗已知的内侧超小卫星，但土星有14颗，其中7颗的轨道位于土星最内侧的规则卫星轨道之中。天王星有13颗内侧超小卫星，海王星有6颗。
行星环的宽度和数量因行星而异，土星环是迄今为止最壮观的行星环，但总的来说土星环的厚度不超过几十千米。大多数情况下，行星环与行星的距离比“洛希极限”(Roche limit)还要近。“洛希极限”是一个边界，在它的内侧的任何大型天体都会被潮汐力撕裂。我们认为大多数行星环是卫星或彗星离行星太近时被潮汐破坏遗留下来的碎片。但一些不那么坚固的环显然是由附近卫星活动排入太空的粒子或某些撞击产生的粒子形成。
土星环是由冰构成的，会反射80%的阳光。尽管土星环的外表很突出(图3)，但如果把它们集中在一起，环中的物质只能形成一个直径约100千米的物体。虽然还没有拍摄到单个光环粒子，但当行星的阴影落在土星环上时，土星环冷却的速度表明它主要由直径在1厘米到5米之间的微粒构成。相比之下，木星环的粒子要小得多，主要是微米大小，并且这些粒子的反射能力也比土星环中明亮的冰团要弱得多。天王星和海王星的环状物质反射太阳光的能力很差，和木星一样；但天王星和海王星的大部分光环粒子的直径都在厘米到米之间 ，和土星一样。
图19 卡西尼号于2009 年7 月27 日拍摄的5000 千米宽的部分土星环照片。在这个尺度下，土星环的曲率（在右边的视野之外）几乎不显现。在粒子密度最大的地方，光环反射的阳光最多，黑色的部分显示出无粒子的缝隙。土卫十八（Pan）是一颗直径为28 千米的牧羊犬卫星，图中可以看到它在土星环最宽的缝隙中运行。土卫十八除了会将这个环间隙清扫干净，还会影响间隙内其他狭窄且不连续的卫星环。这张照片是在太阳非常靠近土星环所在平面的时候拍摄的，土卫十八的影子在土星环上特别长
轨道共振导致环与环内小卫星之间存在复杂的引力相互作用(图19)。这些环内小卫星通常被称为“牧羊犬卫星”，因为其中一些环内小卫星会将环间隙清扫干净，另一些环内小卫星形成时会产生一些窄小的环，且这些环的轨道刚好在它们的内侧或外部。一般来说，环与它们的行星的距离要小于环与规则卫星的距离。但土星是个例外，因为它有一个由暗的尘埃物质组成的外环。这个弥散的外环围绕着土卫九的轨道。土卫九是土星最内侧的不规则卫星。
值得注意的卫星
曾经有一段时间，几乎所有人都认为，即使那个外行星最大的卫星，也只是枯燥的天体。它们只是古老的冰球，被撞击弄得坑坑洼洼，记录着外太阳系的轰击历史。如果你不想研究共同轨道演化，外行星卫星就没有什么意义了。这种观点一直持续到了1979年3月，直到加州大学的斯坦顿·皮尔与两位同事发表的一篇论文指出，木星最内层的伽利略卫星，木卫一(Io)和木卫二(Europa)之间精确的2∶1轨道共振会导致木卫一的形状发生潮汐变形，因此，木卫一内部应该是熔融的。通过对木卫一和木卫二的密度估计和表面光谱分析，我们已经知道木卫一有岩石外壳，不像其他卫星外壳主要是冰。因为岩石体内部的熔化温度要高得多，所以提出岩石体有一个熔融内部是特别大胆的猜想。还好旅行者1号在论文发表的几天后飞过木卫一，传送回喷发的火山图片，里面显示木卫一火山顶部是300千米高的喷射羽状物，不然很少有人会相信这种说法。
虽然木卫一的潮汐加热是迄今发现的卫星中最强的，但这样的过程也影响着各种其他卫星，它们中的许多都有古代潮汐加热的痕迹。潮汐加热使这些卫星千差万别，这也引起了地质学家的兴趣。大多数有潮汐加热的卫星只有核是岩石，地质学家对此并不介意。这些卫星被一层厚厚的冰覆盖，表面一层可能在化学组成上截然不同。外太阳系天体普遍表面温度低(木星卫星的表面温度为-140℃，海王星卫星的表面温度为-235℃)，在这里，冰的力学性质和融化行为与内太阳系的岩石非常相似。换句话说，这些天体具有和类地行星类似的行为和结构，只是其核心是岩石而不是铁，壳和幔是冰而不是岩石。
但木卫一是一个例外。它没有冰，却有岩石构成的外壳和被幔包围着的铁核，如果它是围绕太阳而不是木星运行的，将被归类为类地行星。木卫二是一种混合结构，类似于把木卫一深埋在100~150千米冰层下。接下来，我将描述这两颗卫星以及其他一些最吸引我的卫星，把重点放在更典型的例子上。尽管这些卫星是坑坑洼洼的冰球，它们也比我们之前想象的沉闷球体更有趣。
木卫一
木卫一的直径只有3642千米，略大于我们的月球，密度也更大，但两者却截然不同。木星的引力会使偶发的抛射体向内聚焦，这意味着木卫一比木星其他同样布满陨石坑的卫星——木卫三和木卫四——更容易受到撞击。但木卫一的地形被火山过程重新改造过，且改造速度很快，以至于木卫一表面没有留下陨石坑。木卫三和木卫四的轨道在木卫二之外。1979年，在研究旅行者1号拍摄的木卫一的第一张彩色特写照片时，它的黄色色调让许多人猜测——木卫一表面清晰可见的叶状熔岩流是由硫构成的。然而人们现在普遍认为木卫一的火山是由熔融硅酸盐物质构成的，也就是真正的“岩石”。在木卫一表面，尽管火山活动区域以外的地方非常寒冷，但喷发的火山口中心温度远远超过了1000℃。图20所示的喷发气体里主要有二氧化硫，而在地球上火山的喷发气体主要是水蒸气。硫和二氧化硫在木卫一表面凝结成“霜”，赋予了木卫一颜色。
木卫一位于木星磁场俘获的带电粒子带内。带电粒子带内的辐射很强烈，以至于NASA的伽利略号探测器无法让航天器对木卫一进行多次近距离飞行，因此，木卫一只有一小部分表面的成像质量足够好，可以显示出几百米以下的细节。木卫一最清晰的图像像素只有10米宽，即使如此，我们也没有从其中发现陨石坑。
如果木卫一的火山活动速度长期以来都没变，那么木卫一的整个壳和幔一定已经循环了许多次。熔岩流和从喷发羽流掉落的物质覆盖着较老的地表，这相当于以平均每年几厘米的速度掩埋着木卫一全球的地表。木卫一表面火山活动很快掩盖了陨石坑，让它们无迹可寻。同时因为木卫一的引力太弱，无法抓住水蒸气或其他轻气体，所以即使木卫一曾经有过冰层，火山活动也早就已经将它蒸发，使其消失在太空中。对火山学家来说，木卫一是一个多么美妙的地方啊!要是严酷的辐射环境没有彻底地阻碍人类对木卫一表面的探索就好了。
图20 上图：2007 年3 月，飞向冥王星的新视野号（NewHorizons）在飞越木星时，拍摄到的木卫一的新月形图像。在一个叫作特瓦史塔（Tvashtar） 火山喷口的地方，夜间的火山喷射羽流高达300 千米，所以它的上部是在阳光下的。在其源头可以看到白炽的光，羽流下方的阴影里的部分被来自木星的反射光微弱地照亮
下图：这张250 千米宽的特瓦史塔全景图是八年前伽利略号探测器拍摄的。阳光是从左边来的。最暗的物质是近期的熔岩流，左上方东西方向的明亮条纹是从火山裂缝中喷发出来的炽热熔岩
木卫二
木卫二的直径为3130千米，它是我的最爱。旅行者号在1980年和1981年探测飞行时拍摄的照片显示，木卫二的表面看起来像一个裂开的蛋壳，几乎看不到陨石坑。很明显，这是因为潮汐加热以某种方式重塑了木卫二冰冷的外层，虽然速度没有木卫一那么快。伽利略号的高分辨率成像任务揭示了木卫二复杂的地表历史，并引发了一场异常激烈的争论。众所周知，木卫二的表面主要是水冰，其总体密度表明这层冰壳有100~150千米厚，覆盖着密度更大的内部岩石。但是，密度参数并不能区分固态冰和液态水。由于温度较低，木卫二表面的冰坚硬而易碎。关于木卫二，争议的焦点是地表下“冰”的状态：它是一路冻结到与岩石接触的区域，还是底部是**，而顶部是漂浮的冰壳？
关于争议中的这两个观点，后者需要更快的内部潮汐加热速度，以及加入冰下是液态水的全球海洋这一奇特概念。我个人认为，图21这类图像中得到的表面特征很清楚，这样的冰通常很薄，只有几千米厚，所以一定是漂浮在水面上的。然而，在伽利略号环绕木星系统运行的数年时间里，成像团队中一个强大的游说团体坚持不懈地试图用由厚冰层中固态对流驱动的过程来解释木卫二的表面特征。
现在被普遍接受的木卫二的地质结构可以用图21来解释。这张图片显示了许多由100米高的悬崖围成的高大的“冰筏”。冰筏的表面特征是一系列的山脊和沟槽，且朝不同的方向运动。冰筏之间的纹理比较杂乱，图像模糊。在这个区域之外，木卫二有大片没有被分解成冰筏的区域，那里的表面图像是不间断的山脊和沟槽，图21中的冰筏显然是这种支离破碎的碎片。裂隙的开闭导致了山脊和沟槽图像的出现，并且裂隙开闭的潮汐周期可能与木卫二3.6天这一公转周期一致。在整个木卫二上，任何时候都只有少数裂隙是活跃的。当一个活跃的裂隙被打开时，它的宽度可能只有1米，水会从下面被抽上来，暂时暴露在顶部。这些处在寒冷真空中的水会在瞬间沸腾并冻结，接着很快被泥浆覆盖。当裂隙闭合时，一些泥浆被挤压到表面，在闭合的裂隙上方形成一个山脊。下次裂隙打开时，山脊开裂，再次闭合时，又有更多的泥浆加入其中。裂隙几年的开合就足够在中心沟槽周围形成我们看到的这种大小的山脊。最终，每条裂隙都会永久封死，但新的裂隙又会在其他地方开始作用，于是图像就形成了，这使得覆盖木卫二大部分地区的山脊和沟槽地形呈现出一种类似于毛线团的外观。
图21 木卫二康纳马拉混沌区（Conamara Chaos region）的特写镜头，画面有42 千米宽。来自下层海洋的“融解”使得冰筏在该地区重新结冰之前能够漂移开来。阳光来自右边
图21中的“线团”地形会被另一个影响木卫二的剧烈过程破坏。这个过程叫作“融解”，它会导致破碎的冰筏混杂在一起，形成“混沌”。可能是由于海底的硅酸盐火山爆发，在未来的混沌区域之下海洋会变得异常温暖，表面冰壳的底部会逐渐融化，冰就变得更薄了。最终，冰层表面融化，浮冰筏(或浮冰)从冰架**的边缘断裂，漂流到**的海洋中。任何暴露在水面上的水都会很快重新结冰，也许我们最好将它想象成这样：几千米厚的冰筏缓缓驶入被冰雪覆盖的海洋，就像地球夏季北冰洋融化的浮冰那样，而不是进入了真正开放的水域。在图21的西北部分，你可以看到许多原本合在一起的冰筏，因为它们没有漂流很远，并且它们的“线团”纹理可以匹配。
短暂的热量过剩消失后，海洋会重新结冰，冰筏停止漂流，重新冻结的海面和筏下的冰又开始变厚了。当再次冻结的区域足够厚、足够脆时，可能会出现新的裂隙，新一代的“线团”纹理会开始覆盖整个区域。图21中有一条穿过对角线的“年轻”的裂隙，它两边各有一条狭窄的山脊。裂隙穿过冰筏的地方看起来并不引人注目，但你可以看出它一定很年轻，因为它穿过了冰筏之间重新结冰的海洋。
如果这个描述哪怕对一点点，那么它就蕴含着一些非常值得思索的东西。虽然木卫二上最丰富的溶解盐可能是硫酸镁，而不是地球海洋中的氯化钠，但是海水与海底岩石的化学反应也会使海洋含盐。任何这样覆盖着有潮汐加热岩石的海洋都为生命提供了一个栖息地，就像人们认为地球上生命开始的地方。缺乏阳光并不是生命诞生的障碍，因为处于食物链底部的“初级生产者”将从海底温泉(热液喷口)供应给海洋的化学物质中获得能量。这种生命是依赖化学合成的生命，而不是光合作用的生命。在地球的海底，最热的喷口被称为“黑烟囱”，因为喷发口的**混合到海水中时，会形成金属硫化物颗粒的烟羽。令人惊讶的是，这些喷发口是生命的绿洲，那里的生物群落包括一些像虾蟹这样的高级生物，以化学合成的微生物为食。这些微生物通过将二氧化碳转化为甲烷来获取能量。如果地球上的生命就是在这样的环境中开始的，那么木卫二上为什么不能产生生命呢？
可是要在几千米厚的冰层下找到生命是极具挑战性的，这需要木卫二着陆器在冰层上钻或融化出一个洞，然后发射一枚能探测到“黑烟囱”的水下探测器。但如果年轻裂隙两侧的山脊是由从海洋中挤出来的泥浆形成的，那么这样雄心勃勃的任务可能就没有必要了。因为当裂隙打开时，它可以为植物或(更合理的)海洋藻类等光合生物提供一个生态位。就像地球上的生命一样，木卫二上的生命可能是由化学生物这一祖先进化而来的。辐射会使暴露在外的水柱顶部几厘米区域不适宜居住。但在以下几米的区域里，有足够的阳光可以让生命进行光合作用。如果有初级生产者依靠阳光生存，如植物、藻类，那么就可能有动物以它们为食。为了找到答案，我们第一步要做的就是研究从裂隙中挤出来的山脊样本。
美国国家航天局和欧洲航天局在太阳系外侧探索领域的下一个大型合作项目很可能是前往木星系统，主要目的是通过探冰雷达和对潮汐运动的幅度进行测量，来验证木卫二上是否存在海洋。木卫二的潮差在基岩的厚冰壳上大约只有1米，但对漂浮在海洋上的“薄”冰壳来说大约有30米。遗憾的是，此探测任务的着陆器还没能被设计出来，但至少会用高分辨率的轨道光谱仪来寻找山脊物质中的生物分子。
土卫二
如果木卫二的冰能够在不深入地表的情况下被取样，那么寻找木卫二的生物标志物就会容易得多。土星的一颗卫星，土卫二提供了这样一个寻找生物标志物的机会。土卫二的直径只有504千米，而且它的密度太低，容不下很多岩石。旅行者号显示土卫二是一个奇怪的小世界，它的部分地区布满了陨石坑，但另外一些地方却没有。卡西尼号于2004年开始对土星系统进行轨道勘测，其传送的高分辨率图像显示，土卫二有一个被许多有规律的裂隙切割的表面，但这个表面和木卫二的“线团”区域不像。卡西尼号还发现了土卫二南极附近的裂隙向太空喷射冰晶(图22)。幸运的是，卡西尼号携带了一台用于研究离子和中性粒子的质谱仪，科学家们因此调整了飞船的轨道，使其能够穿过喷射的羽状物并获取了一些样本。样本中含有水、甲烷、氨、一氧化碳和二氧化碳，可能也有一些简单的有机分子。有机分子是一个化学术语，表示连接在一起的碳原子，但并不意味着生命起源。如果这些羽状物早些被发现，卡西尼号就可能会装上更适合检测生物标志物的仪器。
图22 卡西尼号拍摄的两张土卫二图像。左图：过曝的月牙形视图，显示了延伸到地表以上100 千米的羽状物。右图：土卫二的部分斜视图，由几个规律的裂隙切割而成，就像那些已知羽状物的起源地。这里有一些小型陨石坑（小到旅行者号拍不到），表明这一特定区域可能已经不再活跃
我们几乎可以肯定的是，土卫二和土卫四存在2∶1的轨道共振。这个轨道共振驱动了土卫二上的潮汐加热，从而推动裂隙的形成，并为羽流提供了动力。但是，没有人预料到土卫二会如此活跃。尤其令人困惑的是与土卫二大小相仿的邻居——土卫一是一个布满陨石坑的典型冰球，没有任何活动历史。土卫二的表面下不太可能隐藏着一个全球性的海洋，但是在羽流起点处下面可能有液态水。液态水对生命是有好处的，但土卫二内部的营养物质供应有限，比不上木卫二这样的大型天体，因此它似乎也不是一个很有希望的生命栖息地。
土卫六
土卫六直径为5150千米，是土星唯一在规模上能与木星的伽利略卫星相匹敌的卫星。旅行者号拍到的土卫六只是一个模糊的橘黄色球体，因为它是唯一有稠密大气层的卫星。土卫六的大气中97%是氮，但甲烷及其光化学衍生物使土卫六的大气浑浊，还将平流层变成了不透明的烟雾。土卫六有一个由冰(大部分是水冰)构成的外壳和幔，占其半径的三分之一，其下覆盖着一个岩石内核。土卫六可能有一个铁内核，但在这种情况下，为了平衡全球平均密度，冰幔必须更厚。土卫六的自转周期受季风的影响，这表明土卫六的岩石圈一定与其内部分离，很可能是被内部海洋分离的。土卫六的内部海洋可能是水或水氨混合物。和水相比，氨在低得多的温度下仍然是**。大多数模型都将土卫六的内部海洋视作冰幔中的一层，没有直接把内部海洋置于内部岩石的顶部。
卡西尼号用三种办法探测了土卫六的表面，并解决了这个问题：(1)卡西尼号从对烟雾透明度最高的近红外光谱的一些窄波段当中，获得了模糊但有用的地表图像；(2)卡西尼号使用像麦哲伦金星轨道飞行器那样的成像雷达来观察土卫六的地面，这不受云层的影响；(3)卡西尼号搭载着一艘名为惠更斯(Huygens)的登陆器，登陆器在降落到地面的过程中拍摄了土卫六云层下的图像。惠更斯号降落在土卫六赤道附近一片布满卵石的沙地上。这片沙地看起来像火星，不过这里的沙子和鹅卵石都是冰做的。沙子可能是被风吹来的，在土卫六的其他区域，雷达图像显示了大片的风吹沙丘。而鹅卵石一定是通过流动的**运输的。考虑到土卫六的大气成分和表面温度，这些**一定是甲烷(CH4)或乙烷(C2H6)。在下降过程中，惠更斯号看到了靠近着陆点的水系通道分布，并且惠更斯号的雷达成像显示了许多其他地区的复杂山谷系统，从冰壳“基岩” **的高地开始，流向沉积物堆积的低地盆地。更妙的是，惠更斯号在两极附近都发现了被乙醇污染的液态甲烷湖(图23)。一些湖床是干的，另一些湖床里有浅水或“沼泽”，它们很可能会随季节而变化。显然，土卫六在地质上很活跃。我们已经确认土卫六上有一些被严重侵蚀的陨石坑，并且有一些被怀疑是“冰火山”的地点，在那里喷发出类似于地球熔岩流的冰冷的“岩浆”。
图23 范围1100千米的卡西尼号雷达拼接图，展示了土卫六北极附近的图像。黑暗区域是湖泊，最大的一个面积超过10 万平方千米，比北美的苏必利尔湖大20%。我们可以看到树枝状的水系通道为湖泊提供了水源。图片上添加了经度线。空白区域未成像
尚不清楚冰火山和构造作用在多大程度上雕刻和重塑了土卫六表面。但很明显，在基岩被侵蚀之后(土卫六上的当然是被冰侵蚀的)，紧跟着的是泥沙的搬运和沉积，这是影响土卫六表面的主要因素。土卫六上的降雨一定是甲烷液滴，但就像地球上的降雨一样，这些甲烷液滴可以在地面上流动，形成泉水，流入溪流和河流。甲烷与结冰的“基岩”发生化学反应的情况、它的侵蚀能力、它蒸发回大气的速度，以及再次下雨前，它在大气停留的时间，这些都是不确定的。所有这些都是土卫六的甲烷循环与地球水文循环相似的因素。火星在很久以前也有降雨、河流和湖泊，但土卫六是太阳系内除地球外唯一现在还有降雨、河流和湖泊的地方。总有一天，我们会发射另一个探测器更彻底地探索土卫六，也许会包括一个飘浮在烟雾下的气球。它的浮力是可变的，这样它就可以在有趣的地方着陆，对湖水进行采样，并在完全陌生的海岸上获得海浪拍击海岸的照片。
天卫五和天卫一
我们还在争论土卫六上是否有冰火山活动，但在天王星的五颗常规卫星中的两颗存在古老的冰火山活动，这是不容置疑的。这两颗卫星是天卫五和天卫一，它们的表面温度为-200℃。古老的冰火山活动的影响可以从旅行者2号传回的图片上看到。旅行者2号已于1986年1月飞越天王星系统。
天卫一是两个卫星中较大的一个，直径1158千米，表面地质形态复杂。在它最古老的遍布陨石坑的地形上，存在大量断层，断层上岩块高耸。大多数断层都符合术语“裂谷”的定义，谷底地势平坦。然而，大部分峡谷并没有保存着断裂前的表面，而是被光滑的物质覆盖着，至少在旅行者号1千米分辨率下看起来是光滑的。
可能在超过20亿年前的遥远过去，潮汐加热导致了天卫一的表面破裂，冰火山熔岩流出，覆盖了裂谷的地面。在天卫一表面的一些地方可以看到冰火山熔岩的延伸，它掩埋了一些较老的陨石坑。由于天王星与太阳的距离，我们认为天卫一上的冰是比在木星卫星上发现的略含盐的冰更复杂的混合物，其**最可能是通过部分熔融产生的水和氨的2∶1混合物。这种**在-100℃下仍是液态，比融化水冰所需的热量少得多。
在天王星最小的常规卫星——天卫五上也能看到独特的“熔岩”流。天卫五的直径不过472千米，对于这样小的天体来说，它的表面非常多样化，甚至可能超过土卫二。天卫五上重叠撞击坑的数量表明，“熔岩”流的最后一次活动的时间可能是在数十亿年前。旅行者2号只看到了天卫五的半个球体，其成像区域的一半布满了陨石坑。不同寻常的是，大多数较老的陨石坑都有平滑的外观，就好像它们是被从天而降的东西覆盖着一样，只有较年轻的陨石坑是原始的。成像区域的另一半里面三个尖锐的地形单元，被称为冠状体。每一个冠状体都是不同的，但都包含复杂的脊状地形或规律地形，包括被确定为冰火山熔岩流的特征(可能是水氨熔岩，就像天卫一上的那样)，以及由原始的陨石坑形成的凹痕。这里的凹痕和那些布满坑洞地形上的一样。
一种关于天卫五的早期理论认为，每个冕都代表着一次灾难性全球分裂里的碎片，并且我们低估了再吸积作用。但更有可能冕是冰火山作用的场所，冰火山作用只有在衰退期才会留下可辨认的流状痕迹。覆盖在冕之外较老的陨石坑表明可能有爆炸性喷发，冰火山向太空喷射冰粒，其中一些像雪一样沉降下来，改变了原有地形的特征。但我们不知道这是什么时候发生的，为什么会发生。在本世纪中叶之前，不太可能有另一个飞行器到天王星进行探测，因此，我们也不太可能得到这个问题的答案。
海卫一
海卫一是海王星最大的卫星，直径为2706千米。它的外壳布满冰，但密度又很大，证明内部有一个坚实的岩石核心。旅行者2号在1989年飞过海卫一时，发现了海卫一冻结的氮冰极冠。以前在地球上用光谱法也探测到过这个氮冰极冠。就像火星极地冰冠中的二氧化碳一样，这些冰冠在夏天可能会因为升华(而不是融化)而收缩，从而将其中的氮添加到海卫一稀薄但还算可观的大气中。海卫一的大气主要由氮构成。形成其地壳稳定的“基岩”冰似乎是甲烷、二氧化碳和水的混合物，也有可能有氨，但氨在光谱探测中几乎是不可见的。
海卫一的最佳图像分辨率约为每像素400米，它们揭示了极地冰冠之外复杂的地质表面，包括了可能是由冰火山形成的各种地貌(图24)。在海卫一的表面，陨石坑随处可见，但数量并不多，而且很有可能大部分表面陨石坑的历史都不到10亿年。海卫一另一个引人注目之处是，它拥有从极地冰冠喷发出来的间歇泉，能够喷出高约8千米的黑色粒子。海卫一有些由氮晶体组成的高空云，类似于我们大气层中的卷云。
旅行者2号只能看到海卫一南极的冰冠，因为在旅行者2号飞过海卫一时，其北半球的大部分地区处于黑暗之中。海卫一上的季节很奇特，这是海王星29.6°的自转轴倾角加上海卫一21°的轨道倾角共同作用的结果。此外，海卫一的轨道平面围绕海王星的轴进动，因此，海卫一的一个完整季节周期并不等于海王星164年的轨道周期。海卫一的一个完整季节周期为688年，其中包含164年的子周期。在整个季节周期中，海卫一上的太阳可以垂直照射的纬度范围在北纬50°到南纬50°之间。旅行者2号飞越海卫一时，海卫一正巧接近南极的夏至，太阳垂直照射南纬50°。因此海卫一北半球大部分地区正处于黑暗之中，无法被观测到。旅行者号观测到，在阳光照射下，海卫一的南极冰冠正在消退。1997年从地球上的观测证实了海卫一南极冰冠会升华为气体的事实，表明自旅行者号与海卫一相遇以来，海卫一的大气压力在八年内增加了一倍。与此同时，看不见的北极冰盖可能正在生长，因为大气中的氮凝结在北极寒冷的表面上。
图24 旅行者号拍摄的拼接图像覆盖了海卫一上2000千的区域。上方是南，阳光从右上方照射过来。南极冰冠参差不齐的边缘斜穿过图像的顶部。长而窄的弯曲脊(沟)可能是冰火山的冰岩浆喷发的裂隙。左下角平坦的平原和盆地可能是广阔的冰火山熔岩。中间和右下角的涟漪区域被称为“哈密瓜地形”，视觉上类似于甜瓜的表皮，但成因尚不清楚
[1] 潮汐力会引起潮汐变形(见132页)，指当一个位于另一个天体的引力场时，这个天体会因为受到潮汐力而扭曲。