木衛二的表面溫度在赤道地區平均為110k163c），兩極更低，只有50k(223c)，所以表面的水是永久凍結的。但是潮汐力所提供的熱能可能會使表面冰層以下的水保持液態。這個猜想最初由針對潮汐熱的一系列推測所引發。
據推測木衛二的地形特徵意味著冰下海洋的存在。有學者將木衛二表面極富特色的混亂地帶解釋為下層海水滲出地表而造成。但是這一解釋爭議極大，多數對木衛二進行研究的地質學家更傾向於支援一個被稱作“厚冰”模型的理論，他們認為即便存在這樣的海洋，也幾乎不可能對錶面造成直接的影響。對冰殼厚度的估算也存在相當大的分歧，有認為是幾千米的，也有認為是數十千米的。
如果身處木星的衛星木衛二，可以看到高達200千米的壯觀噴泉。這可能是木衛二冰凍表面下隱藏著一個巨大海洋的最好證據。美國和德國研究人員2013年12月12日在《科學》雜誌上報告說，他們利用哈勃太空望遠鏡於2012年11月和12月以及1999年所拍攝的影象，確定在木衛二南半球的兩個不同區域有著過多的氫和氧，而解釋只有一個，那就是這些氫和氧是從木衛二噴射出來的水被電解而來。
木衛二上的噴泉間歇性地噴發，每次噴發時間約7小時。由於這種現象在木衛二距離木星最遠處出現，在最接近木星時消失，研究人員推測，木星對木衛二的潮汐引力發揮了重要作用，它可能導致木衛二表面冰層在最遠點時出現裂縫，而噴泉就從這些裂縫中噴射而出，當到達木星近點，這些裂縫則逐漸閉合。
噴泉的出現說明木衛二冰凍表層的部分割槽域可能很容易被內部的海洋“突破”，而這對將來探索木衛二是否宜居具有重要意義。因為這種間歇性的噴泉會將木衛二表面和深層的物質噴向高空，將來研究木衛二成分就無需在冰層上鑽孔。
張曉辰瞭解到木衛二上的噴泉可能類似於土星的衛星土衛二上的噴泉，土衛二上的噴泉是從非常狹窄的裂隙中逃逸出的高壓水汽排放所致。不過木衛二上的重力比土衛二大12倍，因而木衛二的噴泉不會像土衛二那樣大部分逃逸到太空中，而是噴發到201千米的高度時落回木衛二表面。
長久以來，許多科學家認為木衛二是太陽系中除地球外最有可能存在生命的星球，這是因為在木衛二表面冰層下隱藏著一個巨大海洋，而有液態水就有可能存在生命。美國航天局2013年12月11日還宣佈，在木衛二表面首次發現了黏土型礦物，這意味著木衛二可能存在對形成生命至關重要的有機物。
木衛二表面為數不多的幾個大形的撞擊坑就是支援“厚冰”模型的最佳證據。最大的一個撞擊坑被若干同心圓圈所環繞，坑內被新鮮的冰填充得相當平整。以此為基礎再結合對潮汐力所生成的熱能的估算，所推測出冰殼厚度在10到30千米之間，這就意味著冰下的海洋可能深達100千米。
伽利略號軌道飛行器還觀測到，木衛二在透過木星巨大的磁場時自身會產生一個強度呈週期性變化的弱磁場其強度與木衛四接近，約為木衛三磁場的四分之一）。有猜測認為，冰下鹹水海洋中的極性離子是該磁場的成因。
另有光譜分析的證據表明，木衛二表面裂痕中微顯淡紅色的物質有可能是從冰下滲出的海水揮發後沉積下來的鹽比如硫酸鎂），硫化氫也是這一現象的一個合理的解釋。但是，由於這兩種物質的純淨物都是無色或白色的，別的一些物質也被用於解釋淡紅色的成因，比如含有硫磺的混合物等。
木衛二上的噴泉可能類似於土星的衛星土衛二上的噴泉，土衛二上的噴泉是從非常狹窄的裂隙中逃逸出的高壓水汽排放所致。不過木衛二上的重力比土衛二大12倍，因而木衛二的噴泉不會像土衛二那樣大部分逃逸到太空中，而是噴發到201千米的高度時落回木衛二表面。
長久以來，許多科學家認為木衛二是太陽系中除地球外最有可能存在生命的星球，這是因為在木衛二表面冰層下隱藏著一個巨大海洋，而有液態水就有可能存在生命。美國航天局2013年12月11日還宣佈，在木衛二表面首次發現了黏土型礦物，這意味著木衛二可能存在對形成生命至關重要的有機物。
木衛二的質量太小，以至於木星的其他衛星的引力嚴重影響到它。在木星和木星其他衛星的引力牽引下，在木衛二上出現了潮汐摩擦力，使木衛二升溫，從而使冰和液態水從木衛二表面噴發，場面非常壯觀。就像地球上的火山那樣，只不過，木衛二上的冰火山噴發的是冰和液態水。
木星的第一顆衛星上有火山，而第二顆衛星木衛二上卻有冰川，與木衛一截然相反，這使科學家們感到困惑不解。木衛二是一個寧靜的世界。它的地勢非常平坦，最高的丘陵才50米。它的表面覆蓋著一層晶瑩剔透的冰層。
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科學家收到了宇宙探測器“旅行者”2號發回的照片，透過研究，推測木衛二有一個帶冰殼的固體核心，而且在冰殼和核心之間，可能有一層液態水。正是這樣的構造，形成了木衛二平坦的地形，並使它承受了隕石以及小行星的撞擊而不變形。天文學家史蒂文森等人計算了木衛二的熱耗散，證實在核心和冰殼之間確實存在一個液態水層。他們透過幾種不同模式的實驗，得出了木衛二在25千米深的冰層下，存在著一個地下海洋的結論。
美國航宇局伽利略號木星探測器最新發回的影象表明，木星的衛星木星二上有大量的液態水，它表面上的冰幔只有1～2公里厚，並有內部火山熱源存在。這是迄今為止關於某個地外天體上有液態水存在的最強有力的證據，也增大了人們搜尋到地外生命的可能性。如果木衛二真如科學家們設想的那樣還存在著有機化合物，那麼它就滿足了生命存在的條件。
伽利略探測器在離木衛二僅586公里處飛過時拍攝的照片顯示，似乎有是一些冰山漂浮在被冰覆蓋的海面上。這些冰山最大的有13公里寬，可以明顯地看出是從帶溝槽的地帶上斷裂下來的。
科學家們對於照片上的特徵與地球北極區照片的相似程度感到吃驚。伽利略早先發回的影象曾表明木衛二有表面運動現象，但運動特徵的尺度約有80公里，可能歸結於無液體參與的板塊運動。這次發現的冰山是漂浮在液體上，而不是在具有可延性的地幔上。
從冰山投下的陰影可以算出它們比周圍的冰海高出100～200米。假定同地球上一樣，冰的密度比液態水低約10，那麼冰山約90的部分應在冰面以下。這就是說，冰山的厚度應在1～2公里。
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