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ディオネは土星の衛星では4番目に大きく、密度はタイタン、フェーベに次ぐ。珪石等の岩石を含む氷が主成分であると見られている。公転方向前側の半球はクレーターが多く明るい。後側の半球は暗くクレーターは少なく網目状の線があり、これは形成直後の内部活動で生じたと考えられている。これらの性質はレアに似ている。
2011年の無人探査機カッシーニの観測により、極めて薄いながら、酸素を主成分とする大気が存在することが分かった。これは土星の荷電粒子が表面の氷を分解して生じさせていると考えられている。気圧は2.9×10-7Paという極めて低いものであり、これは地球の483kmの高度に相当する。
また同じくカッシーニのデータから、ディオネの北半球に存在する長さ約800kmの隆起地形である Janiculum Dorsa を調べた結果、氷の湾曲の度合いから、その場所が過去に高温になっていることが推定された。このことから、氷を主体とする他の衛星と同様、地下に海が存在することが示唆されている。
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