尽管艾奥广泛的火山作用呈现出许多的特征，几乎所有的山都有来自地壳运动的结构。艾奥多数的山峰并非由火山所造成，反而是由岩石圈受到压缩应力的结果而形成，这些是经由艾奥外壳经常性的掀动和逆断层提高的。
导致山峰形成的压缩应力是来自火山沉积的物质不断被埋葬的结果。全球性的山脉分布看起来是与火山结构相对称的；山峰分布区域只有少许的火山存在，反之亦然。这建议大尺度区域的岩石圈结构何处被压缩（支持山的形成）和扩张（支持火山口的形成）所掌控。区域性的，然而山和火山口经常紧靠在一起，则是当山在形成并到达表面时曾经有断层形成，而造成岩浆的侵蚀。
在艾奥上的山峰（通常是周围的平原上升的结构）有各种各样的型态。高原是最普通的，这种结构相似大、顶部平坦的方山与坚固的表面。其它的山看起来是被掀动的地壳，有着平缓斜坡的，是旧有的表面形成的；包括表层物质的陡坡，是下层物质受到压缩应力抬昇的结果。这两种山经常都有陡峭的陡坡形成一个或多个的边缘。
在艾奥上只有几座山的源头看起来是火山，这些山类似盾状火山，坡度是平缓的（6–7°），中心有一个小的破火山口和沿着附近的浅倾斜边缘。这些火山通常都比艾奥的山的平均大小为小，平均只有1至2公里（0.6至1.2英里）的高度，和40至60公里（25至37英里）宽。其它还有几个倾斜度更平缓的盾状火山，因为有熔岩流成辐射状的从中央辐射而出，才从型态学上推断是艾奥上的火山，像是拉火山结构。
几乎所有的山看起来都在退化的阶段上，大形的山崩沉积是艾奥上的山的地基共同的现象，因此崩坏作用被建议是退化的主要形式。在艾奥的方山和高原共同的特征是扇贝状的边缘，这是二氧化硫从艾奥的地壳渗透，导致山的边缘区域弱化的结果。
极光在艾奥的上层大气发光，不同的颜色来自大气中不同的成分（绿色来自钠原子，红色来自氧原子，蓝色来自火山的气体，像是二氧化硫）。影像是在艾奥食摄影的。
艾奥的大气层极端稀薄，只有地球大气压力的十亿分之一，主要的成分是二氧化硫，氯化钠、一氧化硫及氧也有少许。
稀薄的艾奥大气意味着未来以任何方式着陆艾奥的探测器都不需要安装隔热板来保护仪器，但是需要反推进火箭来进行软登陆。稀薄的大气也使得登陆的设备必需坚固得足以抗拒木星强烈的辐射，这些辐射也使稀薄的大气变得浓稠。
同样的辐射（以等离子体的形式存在）也将大气剥离，所以必须经常补充大气。二氧化硫最引人注目的来源是火山作用，但是大气层受到阳光持续的照射也会使冻结的二氧化硫升华。大气层主要被限制在赤道，因为该处是最温暖的，而且能够形成流束的活跃火山多数也在赤道上。其它的变化也会存在，以在火山口附近的密度最高（特别是有流束的火山口），还有艾奥的反木下点（艾奥上距离木星最远的一点，那儿的二氧化硫霜的数量最丰富）。
卫星拍摄的高解析影像显示，天文学家在卫星食的时候可以观察到类似辉光的极光。这种现象是来自于辐射与大气层的作用，如同地球的极光。极光通常出现在行星的磁极附近，但是艾奥最明亮极光却位在赤道区域。
艾奥本身没有磁场，因此，电子沿着木星的磁场接近艾奥并直接撞击到卫星的大气层。越多的电子撞击大气层，极光就越明亮，而磁力线是与卫星正切的（也就是说接近赤道），因此在那儿经过的气柱会最长。极光与艾奥上的正切点的结合被观察到的"晃动"指出木星的倾斜磁偶极场变化方向。
艾奥的第一份观测报告是伽利略在1610年1月7日提出的。艾奥和木星其它伽利略卫星的发现被发表在伽利略于的1610年3月出版的星界报告。
西门马里乌斯于1614出版的马里乌斯木星报中声称，他于1609年就发现了艾奥和木星的其它卫星，比伽利略早了一个星期。伽利略质疑这个声明，并且反驳马里乌斯剽窃、抄袭他的成就。因为伽利略在马里乌斯之前就发布了他的发现，而且相信马里乌斯也知道这件事。
在后来的两个半世纪，艾奥仍未被解析过，在天文学家的望远镜中仍然只是一个亮度5等的光点。在17世纪，艾奥和其他的伽利略卫星为各种各样的目的服务，像是协助船员们进行经度的测量，验证开普勒的行星运动第三定律，和测量光线在旅行在木星和地球之间的时间。以卡西尼等人建立的星历表为基础，拉普拉斯创造了一种数学的理论来解释艾奥、欧罗巴、和盖尼米得的轨道共振。这种共振在日后发现对这三颗卫星的地质有深远的影响。
望远镜技术的改进，使19世纪末20世纪初的天文学家有能力在解析（能看得见）出在艾奥上大区域的表面特点。
在1890年代，巴纳德首先观察到艾奥的赤道和极区之间在光度上的变化，正确的测量出这两个地区的光度变化是来自颜色和反照率的不同，而不是因为艾奥呈现卵型，一如威廉·皮克林和他的同伴所主张的，而不是巴纳德最初所主张的是两个不同的天体。之后的望远镜观测证实了艾奥很明确的在极区是红棕色的，而赤道带是黄白色的。
在20世纪中期的望远镜观测开始注意到艾奥异常的本质。分光镜的观测建议艾奥的表面没有水冰（在其它的伽利略卫星上被发现含量丰富的物质）；同样的观测亦表面主要的成分是钠盐和硫磺。电波望远镜的观测揭露了艾奥对木星的磁层有所影响，如被观察到的十米的波长爆发与艾奥的轨道周期有关。
通过艾奥附近的第一艘航天器是先驱者10号和先驱者11号这一对孪生的航天器，分别在1973年12月3日和1974年12月2日以无线电追踪提供了艾奥质量的改善估计值、与艾奥尺寸的最佳值。认为艾奥是四颗伽利略卫星中密度最高的，主要是由硅酸盐的岩石组成，而不是水冰组成的。
先驱者号也揭露艾奥有稀薄的大气层，轨道附近有强烈的辐射传送带。先驱者11号的照相机获得的唯一一张好的照片，显示了艾奥的北极地区。先驱者10号原先计划在近距离的接近艾奥时拍摄照片，但是这项观测因为高辐射的环境而失败了。
当另一对航天器旅行者1号和旅行者2号在1979年掠过艾奥，它们更为先进的影像系统可以获得更好的影像。
旅行者1号在1979年3月5日从20,600公里飞掠过这颗卫星，它传回在接近的影像显露很奇怪、多彩多姿却没有撞击坑的。分辨率最高的影像显示出相对年轻的表面点缀著其形怪状的凹坑，山比艾佛勒斯峰还要高，还有类似熔岩流的特征。
在短暂的邂逅之后，旅行者工程师琳达·蒙娜碧朵注意到在一张影像中有一个流束从表面放射出来。分析旅行者1号拍摄的其他影像后，总共找到9张有这种流束的照片，证实了艾奥有活跃的火山活动。
在旅行者1号邂逅艾奥之前不久，StanPeale、PatrickCassen、和R.T.Reynolds曾发表了一篇论文，作者计算出因为欧罗巴和盖尼米得的轨道共振，艾奥的内部会有巨大的潮汐热化（详细的过程与解释请参见潮汐热的章节）。来自这次飞掠的数据显示艾奥的表面由硫磺和二氧化硫霜控制着。这些成分也掌控著稀薄的大气层和围绕着艾奥轨道的等离子体环（也是旅行者发现的）。
旅行者2号在1979年7月9日以1,130,000公里（702,150英里）的距离掠过，虽然他没有旅行者1号那么接近，比较这两艘航天器的影像显示出在这五个月内表面有一些地区发生了变化。另一方面，旅行者2号在离开木星的系统时观察到艾奥呈现月牙型，并显示出在3月观测到的9个流束中的8个依然活跃着，只有裴蕾火山已经熄灭了。
伽利略号航天器从地球出发后经历了6年的航程，于1995年抵达木星，依循旅行者航天器的发现和地基天文
台多年的观测，继续后续的观测。艾奥的位置在木星最强烈的一条辐射带之内，阻碍了近距离长时间飞掠的观测，但是伽利略主要的任务就是研究伽利略卫星，在最初两年的任务中轨道将进入并密切的经过这些卫星。在1995年12月7日飞掠过时虽然没有获得影像，但还是有重大的结果，例如发现类似于太阳系内侧的岩石行星的巨大铁核。
在伽利略的主要任务期间，尽管缺乏近距离特写的镜头和机械上的问题，还是传回来了许多的资料，并且有一些重大的发现。伽利略号观测到了Pillan火山的主要爆发，并且证实火山爆发由硅酸盐的岩等离子体和富含镁的镁铁质和超镁铁质成分与硫磺和二氧化硫组成，类似于地球上的水和二氧化碳所扮演的角色。
在任务的主要期间，几乎每一条轨道都获得了艾奥远距离的影像，显露很大数量的火山活动（来自表面和火山流束两者的岩等离子体冷却时都散发出辐射热），众多的山和广泛的型态学上的变化，还有在旅行者和伽利略的年代之间，以及伽利略不同的轨道期间，在表面发生的变化。
伽利略号的任务在1997和2000年两度的延展，在这些延长任务的期间，航天器在1999年末至2000年初，三度飞越艾奥；在2001年末至2002年初又再三度飞越。在这些遭遇时间的观察透露了艾奥的火山和山的地质过程，排除了磁场的出现，并且证实了火山运动的程度。在2000年的12月，卡西尼航天器在前往土星的路程上与木星系统有过短暂的邂逅，与伽利略号联合一起观测。这次的观测在特瓦史塔火山口发现了一个新的流束和证实观察到了艾奥的极光。
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