天王星

發(fā)現(xiàn)

在古代人們就熟知五顆行星（水星、金星、火星、木星、土星），與它們相比，天王星的亮度也是肉眼可見的。但天王星亮度較暗、繞行速度緩慢，并且由于那時望遠(yuǎn)鏡觀測能力不足，被古代的觀測者認(rèn)定為是一顆恒星。天王星在被發(fā)現(xiàn)是行星之前，已經(jīng)被觀測了很多次，但都把它當(dāng)作恒星看待。最早的紀(jì)錄可以追溯至1690年約翰·佛蘭斯蒂德（John Flamsteed），在星表中將其編為金牛座34（34 Tauri），并且至少觀測了6次。法國天文學(xué)家Pierre Charles Le Monnier在1750至1769年也至少觀測了12次，包括一次連續(xù)四夜的觀測。

威廉·赫歇爾在1781年3月13日于他位于英格蘭薩默塞特郡巴斯城新國王街19號（現(xiàn)為赫歇爾天文博物館）自宅的庭院中觀察到這顆行星，但在1781年4月26日最早的報(bào)告中他稱之為彗星。1赫歇爾用他自己設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡“對這顆恒星做了一系列視差的觀察”。他在他的學(xué)報(bào)上的記錄著：“在與金牛座ζ成90°的位置……有一個星云樣的恒星或者是一顆彗星。”在3月17日，他注記著：“我找到一顆彗星或星云狀的星，并且由他的位置變化發(fā)現(xiàn)是一顆彗星?！碑?dāng)他將發(fā)現(xiàn)提交給皇家學(xué)會時，雖然含蓄的認(rèn)為比較像行星，但仍然聲稱是發(fā)現(xiàn)了彗星：“當(dāng)我首次看到這顆彗星時，我所使用的光學(xué)倍率是227。從經(jīng)驗(yàn)中我知道，恒星直徑不會隨光學(xué)倍率成比例放大，如行星那樣；因此我將倍率設(shè)成460與932，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彗星直徑隨光學(xué)倍率成比例放大，如同它應(yīng)該在它不是顆恒星的推測下，而我比較過的恒星直徑不會以相同比率增加。更進(jìn)一步說，被光學(xué)放大的彗星已遠(yuǎn)超過其光度所允許，它看來在強(qiáng)大倍率下朦朧且不清楚，而根據(jù)我?guī)浊Т斡^測我知道（在這情況下）這些恒星會保留其光澤與清晰。結(jié)果顯示我所臆測的有充足根據(jù)，這證明是我們最近觀察的彗星?！?/p>

赫歇爾將他的發(fā)現(xiàn)通知皇家天文學(xué)家內(nèi)維爾·馬斯基林（Nevil Maskelyne），4月23日收到信件的馬斯基林語無倫次的回復(fù)說：“我不知該如何稱呼它，它在接近圓形的軌道上移動很像一顆行星，而彗星是在很扁的橢圓軌道上移動。我也沒有看見彗發(fā)或彗尾?！爱?dāng)赫歇爾繼續(xù)謹(jǐn)慎的以彗星描述他的新對象，其他的天文學(xué)家已經(jīng)開始做不同的懷疑。芬蘭-瑞典天文學(xué)家安德斯·約翰·萊克塞爾（Anders Johan Lexell）估計(jì)它至太陽的距離是地球至太陽的18倍，而沒有彗星曾在近日點(diǎn)四倍于地球至太陽距離之外被觀測到。柏林天文學(xué)家約翰·波得（Johann Elert Bode）描述赫歇爾的發(fā)現(xiàn)像是“在土星軌道之外的圓形軌道上移動的恒星，可以被視為迄今仍未知的像行星的天體”。波得斷定這個以圓軌道運(yùn)行的天體比彗星更像是一顆行星。這個天體很快便被接受是一顆行星。在1783年，法國科學(xué)家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）證實(shí)赫歇爾發(fā)現(xiàn)的是一顆行星。赫歇爾本人也向英國皇家學(xué)會的主席約瑟夫·班克斯（Joseph Banks）承認(rèn)這個事實(shí)：“經(jīng)由歐洲最杰出的天文學(xué)家觀察，顯示這顆新的星星，我很榮譽(yù)的在1781年3月指認(rèn)出的，是太陽系內(nèi)主要的行星之一?！?

為此，威廉·赫歇爾被英國皇家學(xué)會授予科普利獎?wù)?。英國國王喬治三世依?jù)他的成就，給予赫歇爾每年200英鎊的年薪（相當(dāng)于2019年的24000英鎊），并要求他移居至溫莎城堡附近，好讓皇室家族成員有機(jī)會使用他的望遠(yuǎn)鏡觀星。

2023年10月31日，科學(xué)家在深入研究最近 20 年記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)之后，確認(rèn)在天王星的北部區(qū)域存在紅外極光，進(jìn)一步完善了人類對天王星的知識拼圖，并為科學(xué)家探究天王星為何如此炎熱提供了新的視角。

命名

馬斯基林曾這樣的問赫歇爾：“幫天文學(xué)世界一個忙，為您的行星取個名字，這也完全是為了您所愛的，并且也是我們迫切期望您為您的發(fā)現(xiàn)所做的?！被貞?yīng)馬基斯林的請求，赫歇爾決定命名為“喬治之星（Georgium Sidus或Georgian Planet）以紀(jì)念他的新贊助人——喬治三世。他在給約瑟夫·班克斯的信件中解釋道：“在古老的神話蠻荒世紀(jì)，我們賦予行星名稱墨丘利（Mercury）、維納斯（Venus）、瑪爾斯（Mars）、朱庇特（Jupiter）與薩圖恩（Saturn）以表彰當(dāng)時最具分量的的英雄及神祇。在身處現(xiàn)今更為理性開化的紀(jì)元，我們將很難如法泡制將新發(fā)現(xiàn)的天體稱為朱諾（Juno）、帕拉斯（Pallas）、阿波羅（Apollo）或密涅瓦（Minerva）。如果任何未來世紀(jì)的天文學(xué)家問我：當(dāng)這個剛剛找到的行星發(fā)現(xiàn)時，照您的年表有沒有任何特別顯著的事件首先列入考慮表揚(yáng)。我將會很滿意的回答：‘在喬治三世（四海升平）的統(tǒng)治下’。“2

八大行星中僅有天王星的英文名稱Uranus取自希臘神話而非羅馬神話。希臘神話中的天空之神烏拉諾斯（Uranus），是農(nóng)神克洛諾斯（Cronus）的父親，眾神之王宙斯（Zeus）的祖父，這三代主神分別相當(dāng)于羅馬神話中的凱路斯（Caelus，未被天體使用），薩圖恩（Saturn，土星的名稱），朱庇特（Jupiter，木星的名稱）。

法國天文學(xué)家杰羅姆·拉蘭德（Jer?me Lalande）曾建議將這顆行星稱為赫歇爾以尊崇它的發(fā)現(xiàn)者。但是，德國天文學(xué)家約翰·波得（Johann Elert Bode）贊成用希臘神話中的Uranus命名。波得的觀點(diǎn)是克洛諾斯是宙斯的父親（薩圖恩是朱庇特的父親），新的行星則應(yīng)該取名為克洛諾斯的父親——烏拉諾斯。3Uranus的名稱最早是在赫歇爾過世一年之后的1823年才出現(xiàn)于官方文件中。喬治三世或“喬治之星”的名稱在之后仍經(jīng)常被使用（只在英國使用），直到1850年，英國航海星歷局才換用Uranus的名稱。之后，Uranus便成為普遍接受的名字。

天王星的形容詞（Uranian）被鈾的發(fā)現(xiàn)者M(jìn)artin Klaproth用來命名在1789年新發(fā)現(xiàn)的元素。Uranus的重音在第一個音節(jié)，因?yàn)榈箶?shù)第二個音a是短音（ūr?n?s）并且是開放的音節(jié)。這樣的音節(jié)在拉丁文中從未被強(qiáng)調(diào)過，因此在傳統(tǒng)上名字的正確發(fā)音是來自英語的[?j?.r?.n?s]。傳統(tǒng)上不正確的發(fā)音，重音落在第二音節(jié)并且將a發(fā)成長音是很普通的。

天王星的天文學(xué)符號是?，綜合了火星和太陽符號，因?yàn)樘焱跣鞘窍ＥD神話的天空之神，被認(rèn)為是由太陽和火星聯(lián)合的力量所控制的。天王星在占星學(xué)上的符號?，是拉蘭德在1784年建議的。在給赫歇爾的一封信中，拉蘭德描述道“地球符號的上方放置著您姓氏的首字母”（"un globe surmonté par la première lettre de votre nom"）。1859年，清代天文學(xué)家李善蘭在翻譯約翰·赫歇爾所著的《天文學(xué)綱要》的譯著《談天》中，分別將Uranus與Neptune意譯為天王星、海王星，此后廣泛在中國、日本、韓國和越南等亞洲國家使用。

公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)

公轉(zhuǎn)軌道

天王星每84個地球年環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)一周，與太陽的平均距離大約30億公里，陽光的強(qiáng)度只有地球的1/400。天王星的軌道參數(shù)在1783年首度被拉普拉斯計(jì)算出來，但隨著時間，預(yù)測和觀測的位置開始出現(xiàn)誤差。在1841年，英國天文學(xué)家約翰·柯西·亞當(dāng)斯（John Couch Adams）首先提出誤差也許可以歸結(jié)于一顆尚未被看見的行星的擾動。在1845年，法國天文教師勒維耶（Urbain Le Verrier）開始獨(dú)立的進(jìn)行天王星軌道的研究，在1846年9月23日，德國天文學(xué)家約翰·格弗里恩·伽勒（Johann Gottfried Galle）在勒維耶預(yù)測位置的附近發(fā)現(xiàn)了一顆新行星，稍后被命名為海王星。天王星內(nèi)部的自轉(zhuǎn)周期是17小時又14分，但和所有巨行星一樣，天王星上部的大氣層朝自轉(zhuǎn)的方向可以體驗(yàn)到非常強(qiáng)的風(fēng)。實(shí)際上，在有些緯度，像是從赤道到南極的2/3緯度上，可以看見移動得非常迅速的大氣，只要14個小時就能完整的環(huán)繞行星自轉(zhuǎn)一周。

從1995至2006年，天王星的視星等在**+**5.6至+5.9等之間，勉強(qiáng)在肉眼可見的+6.0等之上，它的角直徑在3.4至3.7弧秒；比較土星是16至20弧秒，木星則是32至45弧秒。在沖的時候，天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見，即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠(yuǎn)鏡看見。使用物鏡的口徑在15至25厘米的大型業(yè)余天文望遠(yuǎn)鏡，天王星將呈現(xiàn)蒼白的深藍(lán)色盤狀與明顯的周邊昏暗；口徑25厘米或更大的，云的型態(tài)和一些大的衛(wèi)星，像是天衛(wèi)三和天衛(wèi)四，都有可能看見。

自轉(zhuǎn)軸

天王星的自轉(zhuǎn)軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達(dá)97.77°，這使得它的季節(jié)變化完全不同于其他的行星。其它行星的自轉(zhuǎn)軸相對于太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉(zhuǎn)動則像球一樣側(cè)著滾動。當(dāng)天王星在至日前后時，一個極點(diǎn)會持續(xù)的指向太陽，另一個極點(diǎn)則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區(qū)域內(nèi)可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區(qū)；其余地區(qū)則是長晝或長夜，沒有日夜交替。運(yùn)行到軌道的另一側(cè)時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續(xù)的照射42年的極晝，而在另外42年則處于極夜。在接近晝夜平分點(diǎn)（分點(diǎn)）時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似，在2007年12月7日，天王星經(jīng)過分點(diǎn)。

物理特性

整體性質(zhì)

天王星主要是由巖石與各種成分不同的水冰物質(zhì)所組成，其組成主要元素為氫（83%），其次為氦（15%）。在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態(tài)氫組成的木星與土星不同，其性質(zhì)比較接近木星與土星的地核部分，而沒有類木行星包圍在外的巨大液態(tài)氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。天王星并沒有土星與木星那樣的巖石內(nèi)核，它的金屬成分是以一種比較平均的狀態(tài)分布在整個地殼之內(nèi)。直接以肉眼觀察，天王星的表面呈現(xiàn)洋藍(lán)色，這是因?yàn)樗募淄榇髿馕樟舜蟛糠值募t色光譜所導(dǎo)致。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

天王星主要是由巖石與各種成分不同的水冰物質(zhì)所組成，其組成主要元素為氫（83%），其次為氦（15%）。在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態(tài)氫組成的木星與土星不同，其性質(zhì)比較接近木星與土星的地核部分，而沒有類木行星包圍在外的巨大液態(tài)氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。天王星的質(zhì)量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質(zhì)量最小的。它的密度是1.29公克/厘米3只比土星高一些，直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍），但質(zhì)量較低。這些數(shù)值顯示天王星主要由各種各樣揮發(fā)性物質(zhì)，例如水、氨和甲烷組成。天王星內(nèi)部冰的總含量還不能精確的知道，根據(jù)選擇的模型不同有不同的含量，但是總在地球質(zhì)量的9.3至13.5倍之間。氫和氦在全體中只占很小的部分，大約在0.5至1.5地球質(zhì)量。剩余的質(zhì)量（0.5至3.7地球質(zhì)量）才是巖石物質(zhì)。

天王星的標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)包括三個層面：在中心是巖石的核，中間是冰的地幔，最外面是氫/氦組成的外殼。相較之下核非常的小，只有0.55地球質(zhì)量，半徑不到天王星的20%；地幔則是個龐然大物，質(zhì)量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對上是不明確的，大約擴(kuò)展占有剩余20%的半徑，但質(zhì)量大約只有地球的0.5倍。天王星核的密度大約是9g/cm3，在核和地幔交界處的壓力是800萬巴和大約5000K的溫度。冰地幔實(shí)際上并不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發(fā)性物質(zhì)組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導(dǎo)電性，有時被稱為水–氨的海洋。天王星和海王星的大塊結(jié)構(gòu)與木星和土星相當(dāng)?shù)牟煌某煞侄嘤跉怏w，因此有理由將她們分開另成一類為冰巨星。

上面所考慮的模型或多或少都是標(biāo)準(zhǔn)的，但是其他的模型也能滿足觀測的結(jié)果。例如，如果大量的氫和巖石混合在地幔中，則冰的總量就會減少，并且相對的巖石和氫的總量就會提高；可利用的數(shù)據(jù)還不足以讓我門確認(rèn)哪一種模型才是正確的。天王星內(nèi)部的流體結(jié)構(gòu)意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉(zhuǎn)變成內(nèi)部的液體層內(nèi)。但是，為便于扁球體的轉(zhuǎn)動，在大氣壓力達(dá)到1巴之處被定義和考慮為行星的表面時，天王星赤道半徑和極半徑分別是25559±4和24973±20公里。這樣的表面將作為高度的零點(diǎn)。7

內(nèi)熱

天王星的內(nèi)熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項(xiàng)目中，它是低熱流量。仍不了解天王星內(nèi)部的溫度為何會如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍；相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠(yuǎn)紅外（也就是熱輻射）的部分釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。事實(shí)上，天王星的熱流量只有0.042±0.047w/m2，遠(yuǎn)低于地球內(nèi)的熱流量0.075w/m2。天王星對流層頂?shù)臏囟茸畹蜏囟燃o(jì)錄只有49K，使天王星成為太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。在天王星被超重質(zhì)量天體撞擊而造成自轉(zhuǎn)軸極度傾斜的撞擊假說中，也包含了內(nèi)熱的流失，因此留給天王星一個內(nèi)熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認(rèn)為在天王星的內(nèi)部上層有阻止內(nèi)熱傳達(dá)到表面的障礙層存在，例如，對流也許僅發(fā)生在一組不同的結(jié)構(gòu)之間，也許禁止熱能向上傳遞。7

海洋

根據(jù)旅行者2號的探測結(jié)果，科學(xué)家推測天王星上可能有一個深度達(dá)10000公里、溫度高達(dá)6650℃，由水、硅、鎂、含氮分子、碳?xì)浠衔锛半x子化物質(zhì)組成的液態(tài)海洋。由于天王星上巨大而沉重的大氣壓力，令分子緊靠在一起，使得這高溫海洋未能沸騰及蒸發(fā)。反過來，正由于海洋的高溫，恰好阻擋了高壓的大氣將海洋壓成固態(tài)。海洋從天王星高溫的內(nèi)核（高達(dá)6650攝氏度）一直延伸到大氣層的底部，覆蓋整個天王星。必須強(qiáng)調(diào)的是，這種海洋與我們所理解的、地球上的海洋完全不同。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，天王星上并不存在這種海洋。

液態(tài)鉆石

據(jù)2015年英國《每日郵報(bào)》報(bào)道，科學(xué)家們在海王星和天王星研究方面取得進(jìn)展，海王星和天王星上或覆蓋有大片液態(tài)鉆石海，海面上還漂浮著類似于冰山的、體積龐大的固體鉆石。在進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)之后，科學(xué)家得出上述結(jié)論，并認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)可能有助于解釋這兩個星球的一些奇怪特性。在其中一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員把鉆石放在與海王星上一樣的高溫高壓環(huán)境之下，檢測鉆石的變化。海王星的壓力為地球零海拔的1100萬倍，溫度為5萬攝氏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在壓力提高至零海拔1100萬倍時，鉆石變成液態(tài)；之后再把溫度提高至5萬攝氏度后，部分液態(tài)鉆石會再次變成固體。但奇怪的是，這些固態(tài)鉆石會漂浮在液態(tài)鉆石之上，就像是“鉆石冰山”一樣?？茖W(xué)家們認(rèn)為，鉆石海洋的說法解釋了海王星和天王星磁極傾斜之謎，這兩個星球的磁極偏離地理極60度左右。此外，這也解釋了為什么海王星和天王星10%的表面成分為碳元素。

磁場

在旅行者2號抵達(dá)之后，天王星的磁層從未被測量過，因此很自然的還保持著神秘。在1986年之前，因?yàn)樘焱跣堑淖赞D(zhuǎn)軸就躺在黃道上，天文學(xué)家盼望能根據(jù)太陽風(fēng)測量到天王星的磁場。

旅行者2號的觀測顯示天王星的磁場是奇特的，一是他不在行星的幾何中心，再者他相對于自轉(zhuǎn)軸傾斜59°。事實(shí)上，磁極從行星的中心偏離往南極達(dá)到行星半徑的1/3。這異常的幾何關(guān)系導(dǎo)致一個非常不對稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強(qiáng)度低于0.1高斯，而在北半球的強(qiáng)度高達(dá)1.1高斯；在表面的平均強(qiáng)度是0.23高斯。與地球的磁場比較，兩極的磁場強(qiáng)度大約是相等的，并且“磁赤道”大致上也與物理上的赤道平行，天王星的偶極矩是地球的50倍。

海王星也有一個相似的偏移和傾斜的磁場，因此有人認(rèn)為這是冰巨星的共同特點(diǎn)。一種假說認(rèn)為，不同于類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內(nèi)部引發(fā)的，冰巨星的磁場是由相對于表面下某一深度的運(yùn)動引起的，例如水–氨的海洋。盡管有這樣奇特的準(zhǔn)線，天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似：在他的前方，位于23個天王星半徑之處有弓形震波，磁層頂在18個天王星半徑處，充分發(fā)展完整的磁尾和輻射帶。綜上所論，天王星的磁層結(jié)構(gòu)不同于木星的，而比較像土星的。天王星的磁尾在天王星的后方延伸至太空中遠(yuǎn)達(dá)數(shù)百萬公里，并且因?yàn)樾行堑淖赞D(zhuǎn)被扭曲而斜向一側(cè)，像是拔瓶塞的長螺旋桿。8

天王星的磁層包含帶電粒子：質(zhì)子和電子，還有少量的H2+離子，未曾偵測到重離子。許多的這些微粒可能來自大氣層熱的暈內(nèi)。離子和電子的能量分別可以高達(dá)4和1.2百萬電子伏特。在磁層內(nèi)側(cè)的低能量（低于100電子伏特）離子的密度大約是2厘米-3。微粒的分布受到天王星衛(wèi)星強(qiáng)烈的影響，在衛(wèi)星經(jīng)過之后，磁層內(nèi)會留下值得注意的空隙。微粒流量的強(qiáng)度在10萬年的天文學(xué)時間尺度下，足以造成衛(wèi)星表面變暗或是太空風(fēng)暴。這或許就是造成衛(wèi)星表面和環(huán)均勻一致暗淡的原因。在天王星的兩個磁極附近，有相對算是高度發(fā)達(dá)的極光，在磁極的附近形成明亮的弧。但是，不同于木星的是，天王星的極光對增溫層的能量平衡似乎是無足輕重的。9

溫度

天王星是太陽系內(nèi)大氣層最冷的行星，最低溫度為49K（-224℃）；天王星核的密度大約是9g/cm3，在核和地幔交界處的壓力是800萬巴和大約5000K的溫度。

天王星對流層溫度隨著高度增加而降低，溫度從有名無實(shí)的底部大約320K，300公里，降低至53K，高度50公里。在對流層頂實(shí)際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠(yuǎn)紅外線最主要的區(qū)域，由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3K。

天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂?shù)?3K上升至增溫層底的800至850K。平流層的加熱來自甲烷和其他碳?xì)浠衔镂盏奶栕贤饩€和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增溫層的熱也許也值得注意。碳?xì)浠衔锵鄬碚f只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對于氣壓是10微帕至0.1微帕，溫度在75K和170K之間。

天王星大氣層的最外層是熱層（增溫層或暈），有著均勻一致的溫度，大約在800至850K。

大氣

與其它的氣體巨星，甚至是與相似的海王星比較，天王星的大氣層是非常平靜的。當(dāng)旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，總共觀察到了10個橫跨過整個行星的云帶特征。有人提出解釋認(rèn)為這種特征是天王星的內(nèi)熱低于其他巨大行星的結(jié)果。在天王星記錄到的最低溫度是49K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系溫度最低的行星。雖然在天王星的內(nèi)部沒有明確的固體表面，天王星最外面的氣體包殼，也就是被稱為大氣層的部分，卻很容易以遙傳感量。遙傳感量的能力可以從1帕之處為起點(diǎn)向下深入至300公里，相當(dāng)于100帕的大氣壓力和320K的溫度。稀薄的暈從大氣壓力1帕的表面向外延伸擴(kuò)展至半徑兩倍之處，天王星的大氣層可以分為三層：對流層，從高度300至50公里，大氣壓100帕至0.1帕；平流層（同溫層），高度50至4000公里，大氣壓力0.1帕至10-1?帕；熱層（增溫層或暈），從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。沒有中間層和散逸層。

天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是氫分子和氦。氦的摩爾分?jǐn)?shù)，這是每摩爾中所含有的氦原子數(shù)量，是0.15±0.03；在對流層的上層，相當(dāng)于0.26±0.05質(zhì)量百分比。這個數(shù)值很接近0.275±0.01的原恒星質(zhì)量百分比。顯示在氣體的巨星中，氦在行星中是不穩(wěn)定的。在天王星的大氣層中，含量占第三位的是甲烷（CH?）。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星制造了明顯的藍(lán)綠或深藍(lán)的顏色。在大氣壓力1.3帕的甲烷云頂之下，甲烷在大氣層中的摩爾分?jǐn)?shù)是2.3%，這個量大約是太陽的20至30倍?；旌系谋嚷试诖髿鈱拥纳蠈佑捎跇O端的低溫，降低了飽合的水平并且造成多余的甲烷結(jié)冰。對低揮發(fā)性物質(zhì)的豐富度，像是氨、水和硫化氫，在大氣層深處的含量所知有限，但是大概也會高于太陽內(nèi)的含量。除甲烷之外，在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳?xì)浠衔?，被認(rèn)為是太陽的紫外線輻射導(dǎo)致甲烷光解產(chǎn)生的。包括乙烷（C?H?）、乙炔（C?H?）、甲基乙炔（CH?C?H）、聯(lián)乙炔（C?HC?H）。光譜也揭露了水蒸汽的蹤影，一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層，但可能只是來自于彗星和其他外部天體的落塵。

對流層

對流層是大氣層最低和密度最高的部分，溫度隨著高度增加而降低，溫度從有名無實(shí)的底部大約320K，300公里，降低至53K，高度50公里。在對流層頂實(shí)際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠(yuǎn)紅外線最主要的區(qū)域，由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3K。對流層應(yīng)該還有高度復(fù)雜的云系結(jié)構(gòu)，水云被假設(shè)在大氣壓力50至100帕，氨氫硫化物云在20至40帕的壓力范圍內(nèi)，氨或氫硫化物云在3和10帕，最后是直接偵測到的甲烷云在1至2帕。對流層是大氣層內(nèi)非?；钴S的部分，表現(xiàn)出強(qiáng)風(fēng)、亮云和季節(jié)性的變化。

平流層

天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂?shù)?3K上升至增溫層底的800至850K。平流層的加熱來自甲烷和其他碳?xì)浠衔镂盏奶栕贤饩€和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增溫層的熱也許也值得注意。碳?xì)浠衔锵鄬碚f只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對于氣壓是10微帕至0.1微帕，溫度在75K和170K之間。含量最多的碳?xì)浠衔锸且胰埠鸵彝?，相對于氫的混合比率是?0?，與甲烷和一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。更重的碳?xì)浠衔?、二氧化碳和水蒸氣，在混合的比率上還要低三個數(shù)量級。乙烷和乙炔在平流層內(nèi)溫度和高度較低處與對流層頂傾向于凝聚而形成數(shù)層陰霾的云層，那些也可能被視為出天王星上的云帶。然而，碳?xì)浠衔锛性谠谔焱跣瞧搅鲗雨庼仓系母叨缺绕渌惸拘行堑母叨纫褪侵档米⒁獾摹?0

熱層

天王星大氣層的最外層是熱層（增溫層或暈），有著均勻一致的溫度，大約在800至850K。仍不了解是何種熱源支撐著如此的高溫，雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳?xì)浠衔镆材茇暙I(xiàn)一些能源，但即使是太陽的遠(yuǎn)紫外線和超紫外線輻射，或是極光活動都不足以提供所需的能量。除此之外，氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子，她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴(kuò)展至50000公里，天王星半徑的倆倍遠(yuǎn)。這個延伸的暈是天王星的一個獨(dú)特的特點(diǎn)。他的作用包括阻尼環(huán)繞天王星的小顆粒，導(dǎo)致一些天王星環(huán)中塵粒的耗損。天王星的增溫層和平流層的上層對應(yīng)著天王星的電離層。觀測顯示電離層占據(jù)2000至10000公里的高度。天王星電離層的密度比土星或海王星高，這可能肇因于碳?xì)浠衔镌谄搅鲗拥吞幍募?。電離層是承受太陽紫外線輻射的主要區(qū)域，它的密度也依據(jù)太陽活動而改變。極光活動不如木星和土星的明顯和重大。11

氣候

在紫外線與可見光波段下與其他的氣體巨星，甚至是與相似的海王星比較，天王星的大氣層是非常平靜的。當(dāng)旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，總共觀察到了10個橫跨過整個行星的云帶特征。有人提出解釋認(rèn)為這種特征是天王星的內(nèi)熱低于其他巨大行星的結(jié)果。記錄到天王星對流層頂?shù)淖畹蜏囟仁?9K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系溫度最低的行星（原來九大行星中溫度最低的冥王星已不再是行星）。

帶狀云

在1986年，旅行者2號發(fā)現(xiàn)可見的天王星南半球可以被細(xì)分成兩個區(qū)域：明亮的極區(qū)和暗淡的赤道帶狀區(qū)。兩這區(qū)的分界大約在緯度-45°的附近。一條跨越在-45°至-50°之間的狹窄帶狀物是在行星表面上能夠看見的最亮的大特征，被稱為南半球的“衣領(lǐng)”。極冠和衣領(lǐng)被認(rèn)為是甲烷云密集的區(qū)域，位置在大氣壓力1.3至2帕的高度。很不幸的是，旅行者2號抵達(dá)時正是盛夏，而且觀察不到北半球的部分。不過，從21世紀(jì)開始之際，北半球的“衣領(lǐng)”和極區(qū)就可以被哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和凱克望遠(yuǎn)鏡觀測到。結(jié)果，天王星看起來是不對稱的：靠近南極是明亮的，從南半球的“衣領(lǐng)”以北都是一樣的黑暗。天王星上之后可能出現(xiàn)的季節(jié)變化，將會被詳細(xì)的討論。天王星可以觀察到的緯度結(jié)構(gòu)和木星與土星是不同的，它們展現(xiàn)出許多條狹窄但色彩豐富的帶狀結(jié)構(gòu)。

1990年代的高分辨率成像觀測表明，亮云特征的數(shù)量有著明顯的增長。它們多數(shù)都出現(xiàn)于北半球開始成為可以看見的區(qū)域。早期的解釋—認(rèn)為是亮云在行星黑暗的部分比較容易被分辨出來，而在南半球則被明亮的“衣領(lǐng)”掩蓋掉—被證明是錯誤的，實(shí)際上特征數(shù)量已確實(shí)顯著增加。不過，兩個半球的亮云是有區(qū)別的，北半球的亮云較小、較尖銳和較明亮。它們看上去都躺在較高的高度。亮云的生命期有著極大的差異，一些小的只有幾小時，而南半球至少有一個從旅行者飛掠過后仍一直存在著。最近的觀察也發(fā)現(xiàn)，雖然天王星的氣候較為平靜，但天王星的亮云有許多特性與海王星相同。

風(fēng)速

追蹤這些有特征的亮云，可以測量出天王星對流層上方的風(fēng)是如何在極區(qū)咆哮。在赤道的風(fēng)是退行的，意味著它們吹的方向與自轉(zhuǎn)的方向相反，它們的速度從?100至?50米/秒。風(fēng)速隨著遠(yuǎn)離赤道的距離而增加，大約在緯度±20°靜止不動，這兒也是對流層溫度最低之處。再往極區(qū)移動，風(fēng)向也轉(zhuǎn)成與行星自轉(zhuǎn)的方向一致，風(fēng)速則持續(xù)增加，在北緯60°處達(dá)到最大值，然后下降至極區(qū)減弱為0。在南緯40°附近，風(fēng)速從150到200米/秒，因?yàn)椤耙骂I(lǐng)”蓋過了所有平行的亮云，無法測量從哪兒到南極之間的風(fēng)速。與北半球?qū)φ?，風(fēng)速在緯度+50°達(dá)到最大值，速度高達(dá)240米/秒。

季節(jié)變化

2004年3月到5月這一短暫期間，很多片大塊亮云出現(xiàn)天王星大氣層里，這讓天王星有著類似海王星般的外觀。觀察到229米/秒（824公里/時）的破表風(fēng)速，和被稱為“7月4日煙火”的雷雨風(fēng)暴。2006年8月23日，科羅拉多州博爾德市太空科學(xué)學(xué)院和威斯康辛大學(xué)的研究員觀察到天王星表面有一個大黑斑，讓天文學(xué)家對天王星大氣層的活動有更多的了解。雖然為何這突如其來活動暴漲的發(fā)生原因仍未被研究員所明了，但是它呈現(xiàn)了天王星極度傾斜的自轉(zhuǎn)軸所帶來的季節(jié)性的氣候變化。要確認(rèn)這種季節(jié)變化的本質(zhì)是很困難的，因?yàn)閷μ焱跣谴髿鈱涌坝玫挠^察數(shù)據(jù)仍少于84年，也就是一個完整的天王星年。雖然已經(jīng)有了一定數(shù)量的發(fā)現(xiàn)，光度學(xué)的觀測已經(jīng)累積了半個天王星年（從1950年代起算），在兩個光譜帶上的光度變化已經(jīng)呈現(xiàn)了規(guī)律性的變化，最大值出現(xiàn)于至點(diǎn)，最小值出現(xiàn)于晝夜平分點(diǎn)。從1960年開始的微波觀測，深入對流層的內(nèi)部，也得到相似的周期變化，最大值也在至點(diǎn)。從20世紀(jì)70年代開始對平流層進(jìn)行的溫度測量也顯示最大值出現(xiàn)于1986年的至日附近。多數(shù)的變化相信與可觀察到的幾何變化相關(guān)。

然而，有某些理由相信天王星物理性的季節(jié)變化也在發(fā)生。當(dāng)南極區(qū)域變得明亮?xí)r，北極相對的呈現(xiàn)黑暗，這與上述概要性的季節(jié)變化模型是不符合的。在1944年抵達(dá)北半球的至點(diǎn)之前，天王星亮度急遽提升，顯示北極不是永遠(yuǎn)黑暗的。這個現(xiàn)象意味著可以看見的極區(qū)在至日之前開始變亮，并且在晝夜平分點(diǎn)之后開始變暗。詳細(xì)的分析可見光和微波的資料，顯示亮度的變化周期在至點(diǎn)的附近不是完全的對稱，這也顯示出在子午圈上反照率變化的模式。最后，在20世紀(jì)90年代，在天王星離開至點(diǎn)的時期，哈柏太空望遠(yuǎn)鏡和地基的望遠(yuǎn)鏡顯示南極冠出現(xiàn)可以察覺的變暗（南半球的“衣領(lǐng)”除外，它依然明亮），同時，北半球的活動也證實(shí)是增強(qiáng)了，例如云層的形成和更強(qiáng)的風(fēng)，支持期望的亮度增加應(yīng)該很快就會開始。

天王星物理變化的機(jī)制還不是很清楚，在接近至點(diǎn)，天王星的一個半球沐浴在陽光之下，另一個半球則對向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被認(rèn)為是對流層里來自甲烷云與陰霾層局部增厚的結(jié)果。在緯度-45°的明亮“衣領(lǐng)”也與甲烷云有所關(guān)聯(lián)。在南半球極區(qū)的其他變化，也可以用低層云的變化來解釋。來自天王星微波發(fā)射譜線上的變化，或許是在對流層深處的循環(huán)變化造成的，因?yàn)楹駥?shí)的極區(qū)云層和霧霾可能會阻礙對流。天王星春天和秋天的晝夜平分點(diǎn)即將來臨，動力學(xué)上的改變和對流可能會再發(fā)生。

|| || 天王星的節(jié)氣

在1986年，旅行者2號飛掠時，天王星的南極幾乎正對著太陽。標(biāo)記這個極是南極是基于國際天文聯(lián)合會的定義：行星或衛(wèi)星的北極，是指向太陽系不變平面的上方（不是由自轉(zhuǎn)的方向來決定）。但是，仍然有不同的協(xié)定被使用著：一個天體依據(jù)右手定則所定義的自轉(zhuǎn)方向來決定北極和南極。根據(jù)后者的坐標(biāo)系，1986年在陽光下的極則是北極。

行星環(huán)

天王星有一個暗淡的行星環(huán)系統(tǒng)，由直徑約十米的黑暗粒狀物組成。這是繼土星環(huán)之后，在太陽系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第二個環(huán)系統(tǒng)。天王星環(huán)包含13個已命名的小環(huán)，其中最明亮的是ε環(huán)（Epsilon），其他的環(huán)都非常黯淡。天王星的光環(huán)像木星的光環(huán)一樣暗，但又像土星的光環(huán)那樣有相當(dāng)大的直徑。天王星環(huán)被認(rèn)為是相當(dāng)年輕的，在圓環(huán)周圍的空隙和不透明部分的區(qū)別，暗示她們不是與天王星同時形成的，環(huán)中的物質(zhì)可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛(wèi)星。而最外面的第5個環(huán)的成分大部分是直徑為幾米到幾十米的冰塊。除此之外，天王星可能還存在著大量的窄環(huán)，寬度僅有50米，單環(huán)的環(huán)反射率非常低。

天王星環(huán)的發(fā)現(xiàn)日期是1977年3月10日，在James L. Elliot、Edward W. Dunham、和Douglas J. Mink使用柯伊伯機(jī)載天文臺觀測時。這個發(fā)現(xiàn)是很意外的，他們原本的計(jì)劃是觀測天王星掩蔽SAO 158687以研究天王星的大氣層。然而，當(dāng)他們分析觀測的資料時，發(fā)現(xiàn)行星遮掩的前后，這顆恒星都曾經(jīng)短暫的消失了五次。他們認(rèn)為，必須有個環(huán)系統(tǒng)圍繞著行星才能解釋。后來他們又偵測到四個額外的環(huán)。旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，直接看見了這些環(huán)。旅行者2號也發(fā)現(xiàn)了兩圈新的光環(huán)，使環(huán)的數(shù)量增加到11圈（不包括2003年發(fā)現(xiàn)的）。

在2005年12月，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡偵測到一對早先未曾發(fā)現(xiàn)的藍(lán)色圓環(huán)。最外圍的一圈與天王星的距離比早先知道的環(huán)遠(yuǎn)了兩倍，因此新發(fā)現(xiàn)的環(huán)被稱為環(huán)系統(tǒng)的外環(huán)，使天王星環(huán)的數(shù)量增加到13圈。哈柏同時也發(fā)現(xiàn)了兩顆新的小衛(wèi)星，其中的天衛(wèi)二十六還與最外面的μ環(huán)共享軌道。在2006年4月，凱克天文臺公布的新環(huán)影像中，外環(huán)的一圈是藍(lán)色的，另一圈則是紅色的。關(guān)于外環(huán)顏色是藍(lán)色的一個假說是，它由來自天衛(wèi)二十六的細(xì)小冰微粒組成，因此能散射足夠多的藍(lán)光。天王星的內(nèi)環(huán)看起來是呈灰色的。

|| || 天王星環(huán)列表