天王星

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，並且由於那時望遠鏡觀測能力不足，被古代的觀測者認定為是一顆恆星。天王星在被發現是行星之前，已經被觀測了很多次，但都把它當作恆星看待。最早的紀錄可以追溯至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），並且至少觀測了6次。法國天文學家Pierre Charles Le Monnier在1750至1769年也至少觀測了12次，包括一次連續四夜的觀測。

威廉·赫歇爾在1781年3月13日於他位於英格蘭薩默塞特郡巴斯城新國王街19號（現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日最早的報告中他稱之為彗星。 ^[1]  赫歇爾用他自己設計的望遠鏡“對這顆恆星做了一系列視差的觀察”。他在他的學報上的記錄着：“在與金牛座ζ成90°的位置……有一個星雲樣的恆星或者是一顆彗星。”在3月17日，他註記着：“我找到一顆彗星或星雲狀的星，並且由他的位置變化發現是一顆彗星。”當他將發現提交給皇家學會時，雖然含蓄的認為比較像行星，但仍然聲稱是發現了彗星：“當我首次看到這顆彗星時，我所使用的光學倍率是227。從經驗中我知道，恆星直徑不會隨光學倍率成比例放大，如行星那樣；因此我將倍率設成460與932，結果發現彗星直徑隨光學倍率成比例放大，如同它應該在它不是顆恆星的推測下，而我比較過的恆星直徑不會以相同比率增加。更進一步説，被光學放大的彗星已遠超過其光度所允許，它看來在強大倍率下朦朧且不清楚，而根據我幾千次觀測我知道（在這情況下）這些恆星會保留其光澤與清晰。結果顯示我所臆測的有充足根據，這證明是我們最近觀察的彗星。”

赫歇爾將他的發現通知皇家天文學家內維爾·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覆説：“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。我也沒有看見彗發或彗尾。“當赫歇爾繼續謹慎的以彗星描述他的新對象，其他的天文學家已經開始做不同的懷疑。芬蘭-瑞典天文學家安德斯·約翰·萊克塞爾（Anders Johan Lexell）估計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四倍於地球至太陽距離之外被觀測到。柏林天文學家約翰·波得（Johann Elert Bode）描述赫歇爾的發現像是“在土星軌道之外的圓形軌道上移動的恆星，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，法國科學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）證實赫歇爾發現的是一顆行星。赫歇爾本人也向英國皇家學會的主席約瑟夫·班克斯（Joseph Banks）承認這個事實：“經由歐洲最傑出的天文學家觀察，顯示這顆新的星星，我很榮譽的在1781年3月指認出的，是太陽系內主要的行星之一。” ^[2] 

為此，威廉·赫歇爾被英國皇家學會授予科普利獎章。英國國王喬治三世依據他的成就，給予赫歇爾每年200英鎊的年薪（相當於2019年的24000英鎊），並要求他移居至温莎城堡附近，好讓皇室家族成員有機會使用他的望遠鏡觀星。

2023年10月31日，科學家在深入研究最近 20 年記錄的相關數據之後，確認在天王星的北部區域存在紅外極光，進一步完善了人類對天王星的知識拼圖，併為科學家探究天王星為何如此炎熱提供了新的視角。 ^[17] 

馬斯基林曾這樣的問赫歇爾：“幫天文學世界一個忙，為您的行星取個名字，這也完全是為了您所愛的，並且也是我們迫切期望您為您的發現所做的。”迴應馬基斯林的請求，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，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）以表彰當時最具分量的的英雄及神祇。在身處現今更為理性開化的紀元，我們將很難如法泡製將新發現的天體稱為朱諾（Juno）、帕拉斯（Pallas）、阿波羅（Apollo）或密涅瓦（Minerva）。如果任何未來世紀的天文學家問我：當這個剛剛找到的行星發現時，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。我將會很滿意的回答：‘在喬治三世（四海昇平）的統治下’。“ ^[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於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）。

法國天文學家傑羅姆·拉蘭德（Jerôme Lalande）曾建議將這顆行星稱為赫歇爾以尊崇它的發現者。但是，德國天文學家約翰·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），新的行星則應該取名為克洛諾斯的父親——烏拉諾斯。 ^[3]  Uranus的名稱最早是在赫歇爾過世一年之後的1823年才出現於官方文件中。喬治三世或“喬治之星”的名稱在之後仍經常被使用（只在英國使用），直到1850年，英國航海星曆局才換用Uranus的名稱。之後，Uranus便成為普遍接受的名字。

天王星的形容詞（Uranian）被鈾的發現者Martin Klaproth用來命名在1789年新發現的元素。Uranus的重音在第一個音節，因為倒數第二個音a是短音（ūrănŭs）並且是開放的音節。這樣的音節在拉丁文中從未被強調過，因此在傳統上名字的正確發音是來自英語的[ˈjʊ.rə.nəs]。傳統上不正確的發音，重音落在第二音節並且將a發成長音是很普通的。

天王星的天文學符號是⛢，綜合了火星和太陽符號，因為天王星是希臘神話的天空之神，被認為是由太陽和火星聯合的力量所控制的。天王星在占星學上的符號♅，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着您姓氏的首字母”（"un globe surmonté par la première lettre de votre nom"）。1859年，清代天文學家李善蘭在翻譯約翰·赫歇爾所著的《天文學綱要》的譯著《談天》中，分別將Uranus與Neptune意譯為天王星、海王星，此後廣泛在中國、日本、韓國和越南等亞洲國家使用。 ^[4] 

天王星每84個地球年環繞太陽公轉一週，與太陽的平均距離大約30億公里，陽光的強度只有地球的1/400。天王星的軌道參數在1783年首度被拉普拉斯計算出來，但隨着時間，預測和觀測的位置開始出現誤差。在1841年，英國天文學家約翰·柯西·亞當斯（John Couch Adams）首先提出誤差也許可以歸結於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）開始獨立的進行天王星軌道的研究，在1846年9月23日，德國天文學家約翰·格弗裏恩·伽勒（Johann Gottfried Galle）在勒維耶預測位置的附近發現了一顆新行星，稍後被命名為海王星。天王星內部的自轉週期是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的方向可以體驗到非常強的風。實際上，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繞行星自轉一週。 ^[5] 

從1995至2006年，天王星的視星等在+5.6至+5.9等之間，勉強在肉眼可見的+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。在衝的時候，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鏡看見。使用物鏡的口徑在15至25釐米的大型業餘天文望遠鏡，天王星將呈現蒼白的深藍色盤狀與明顯的周邊昏暗；口徑25釐米或更大的，雲的型態和一些大的衞星，像是天衞三和天衞四，都有可能看見。 ^[6] 

天王星的自轉軸可以説是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達97.77°，這使得它的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像球一樣側着滾動。當天王星在至日前後時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內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；其餘地區則是長晝或長夜，沒有日夜交替。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42年的極晝，而在另外42年則處於極夜。在接近晝夜平分點（分點）時，太陽正對着天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似，在2007年12月7日，天王星經過分點。

天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成，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）與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同，其性質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）。天王星並沒有土星與木星那樣的岩石內核，它的金屬成分是以一種比較平均的狀態分佈在整個地殼之內。直接以肉眼觀察，天王星的表面呈現洋藍色，這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。

天王星主要是由岩石與各種成分不同的水冰物質所組成，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）與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同，其性質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）。天王星的質量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質量最小的。它的密度是1.29公克/釐米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），但質量較低。這些數值顯示天王星主要由各種各樣揮發性物質，例如水、氨和甲烷組成。天王星內部冰的總含量還不能精確的知道，根據選擇的模型不同有不同的含量，但是總在地球質量的9.3至13.5倍之間。氫和氦在全體中只佔很小的部分，大約在0.5至1.5地球質量。剩餘的質量（0.5至3.7地球質量）才是岩石物質。

天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是岩石的核，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地球質量，半徑不到天王星的20%；地幔則是個龐然大物，質量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對上是不明確的，大約擴展佔有剩餘20%的半徑，但質量大約只有地球的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的温度。冰地幔實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導電性，有時被稱為水–氨的海洋。天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同，冰的成分多於氣體，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準的，但是其他的模型也能滿足觀測的結果。例如，如果大量的氫和岩石混合在地幔中，則冰的總量就會減少，並且相對的岩石和氫的總量就會提高；可利用的數據還不足以讓我門確認哪一種模型才是正確的。天王星內部的流體結構意味着沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。但是，為便於扁球體的轉動，在大氣壓力達到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。 ^[7] 

天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項目中，它是低熱流量。仍不瞭解天王星內部的温度為何會如此低，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。事實上，天王星的熱流量只有0.042±0.047w/m²，遠低於地球內的熱流量0.075w/m²。天王星對流層頂的温度最低温度紀錄只有49K，使天王星成為太陽系温度最低的行星，比海王星還要冷。在天王星被超重質量天體撞擊而造成自轉軸極度傾斜的撞擊假説中，也包含了內熱的流失，因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心温度。另一種假説認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在，例如，對流也許僅發生在一組不同的結構之間，也許禁止熱能向上傳遞。 ^[7] 

根據旅行者2號的探測結果，科學家推測天王星上可能有一個深度達10000公里、温度高達6650℃，由水、硅、鎂、含氮分子、碳氫化合物及離子化物質組成的液態海洋。由於天王星上巨大而沉重的大氣壓力，令分子緊靠在一起，使得這高温海洋未能沸騰及蒸發。反過來，正由於海洋的高温，恰好阻擋了高壓的大氣將海洋壓成固態。海洋從天王星高温的內核（高達6650攝氏度）一直延伸到大氣層的底部，覆蓋整個天王星。必須強調的是，這種海洋與我們所理解的、地球上的海洋完全不同。也有觀點認為，天王星上並不存在這種海洋。

據2015年英國《每日郵報》報道，科學家們在海王星和天王星研究方面取得進展，海王星和天王星上或覆蓋有大片液態鑽石海，海面上還漂浮着類似於冰山的、體積龐大的固體鑽石。在進行了一系列實驗之後，科學家得出上述結論，並認為這一發現可能有助於解釋這兩個星球的一些奇怪特性。在其中一項實驗中，研究人員把鑽石放在與海王星上一樣的高温高壓環境之下，檢測鑽石的變化。海王星的壓力為地球零海拔的1100萬倍，温度為5萬攝氏度。實驗結果顯示，在壓力提高至零海拔1100萬倍時，鑽石變成液態；之後再把温度提高至5萬攝氏度後，部分液態鑽石會再次變成固體。但奇怪的是，這些固態鑽石會漂浮在液態鑽石之上，就像是“鑽石冰山”一樣。科學家們認為，鑽石海洋的説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，這也解釋了為什麼海王星和天王星10%的表面成分為碳元素。

在旅行者2號抵達之後，天王星的磁層從未被測量過，因此很自然的還保持着神秘。在1986年之前，因為天王星的自轉軸就躺在黃道上，天文學家盼望能根據太陽風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，再者他相對於自轉軸傾斜59°。事實上，磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的1/3。這異常的幾何關係導致一個非常不對稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強度低於0.1高斯，而在北半球的強度高達1.1高斯；在表面的平均強度是0.23高斯。與地球的磁場比較，兩極的磁場強度大約是相等的，並且“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，因此有人認為這是冰巨星的共同特點。一種假説認為，不同於類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內部引發的，冰巨星的磁場是由相對於表面下某一深度的運動引起的，例如水–氨的海洋。儘管有這樣奇特的準線，天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似：在他的前方，位於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，充分發展完整的磁尾和輻射帶。綜上所論，天王星的磁層結構不同於木星的，而比較像土星的。天王星的磁尾在天王星的後方延伸至太空中遠達數百萬公里，並且因為行星的自轉被扭曲而斜向一側，像是拔瓶塞的長螺旋杆。 ^[8] 

天王星的磁層包含帶電粒子：質子和電子，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。離子和電子的能量分別可以高達4和1.2百萬電子伏特。在磁層內側的低能量（低於100電子伏特）離子的密度大約是2釐米^-³。微粒的分佈受到天王星衞星強烈的影響，在衞星經過之後，磁層內會留下值得注意的空隙。微粒流量的強度在10萬年的天文學時間尺度下，足以造成衞星表面變暗或是太空風暴。這或許就是造成衞星表面和環均勻一致暗淡的原因。在天王星的兩個磁極附近，有相對算是高度發達的極光，在磁極的附近形成明亮的弧。但是，不同於木星的是，天王星的極光對增温層的能量平衡似乎是無足輕重的。 ^[9] 

天王星是太陽系內大氣層最冷的行星，最低温度為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的温度。

天王星對流層温度隨着高度增加而降低，温度從有名無實的底部大約320K，300公里，降低至53K，高度50公里。在對流層頂實際的最低温度在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紅外線最主要的區域，由此處測量到的有效温度是59.1±0.3K。

天王星大氣層的中層是平流層，此處的温度逐漸增加，從對流層頂的53K上升至增温層底的800至850K。平流層的加熱來自甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增温層的熱也許也值得注意。碳氫化合物相對來説只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對於氣壓是10微帕至0.1微帕，温度在75K和170K之間。

天王星大氣層的最外層是熱層（增温層或暈），有着均勻一致的温度，大約在800至850K。

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雲帶特徵。有人提出解釋認為這種特徵是天王星的內熱低於其他巨大行星的結果。在天王星記錄到的最低温度是49K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系温度最低的行星。雖然在天王星的內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帕之處為起點向下深入至300公里，相當於100帕的大氣壓力和320K的温度。稀薄的暈從大氣壓力1帕的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處，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（同温層），高度50至4000公里，大氣壓力0.1帕至10^-¹⁰帕；熱層（增温層或暈），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。氦的摩爾分數，這是每摩爾中所含有的氦原子數量，是0.15±0.03；在對流層的上層，相當於0.26±0.05質量百分比。這個數值很接近0.275±0.01的原恆星質量百分比。顯示在氣體的巨星中，氦在行星中是不穩定的。在天王星的大氣層中，含量佔第三位的是甲烷（CH₄）。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星製造了明顯的藍綠或深藍的顏色。在大氣壓力1.3帕的甲烷雲頂之下，甲烷在大氣層中的摩爾分數是2.3%，這個量大約是太陽的20至30倍。混合的比率在大氣層的上層由於極端的低温，降低了飽合的水平並且造成多餘的甲烷結冰。對低揮發性物質的豐富度，像是氨、水和硫化氫，在大氣層深處的含量所知有限，但是大概也會高於太陽內的含量。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氫化合物，被認為是太陽的紫外線輻射導致甲烷光解產生的。包括乙烷（C₂H₆）、乙炔（C₂H₂）、甲基乙炔（CH₃C₂H）、聯乙炔（C₂HC₂H）。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，但可能只是來自於彗星和其他外部天體的落塵。

對流層是大氣層最低和密度最高的部分，温度隨着高度增加而降低，温度從有名無實的底部大約320K，300公里，降低至53K，高度50公里。在對流層頂實際的最低温度在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紅外線最主要的區域，由此處測量到的有效温度是59.1±0.3K。對流層應該還有高度複雜的雲系結構，水雲被假設在大氣壓力50至100帕，氨氫硫化物雲在20至40帕的壓力範圍內，氨或氫硫化物雲在3和10帕，最後是直接偵測到的甲烷雲在1至2帕。對流層是大氣層內非常活躍的部分，表現出強風、亮雲和季節性的變化。

天王星大氣層的中層是平流層，此處的温度逐漸增加，從對流層頂的53K上升至增温層底的800至850K。平流層的加熱來自甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，大氣層的這種形式是甲烷的光解造成的。來自增温層的熱也許也值得注意。碳氫化合物相對來説只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對於氣壓是10微帕至0.1微帕，温度在75K和170K之間。含量最多的碳氫化合物是乙炔和乙烷，相對於氫的混合比率是×10⁷，與甲烷和一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。更重的碳氫化合物、二氧化碳和水蒸氣，在混合的比率上還要低三個數量級。乙烷和乙炔在平流層內温度和高度較低處與對流層頂傾向於凝聚而形成數層陰霾的雲層，那些也可能被視為出天王星上的雲帶。然而，碳氫化合物集中在在天王星平流層陰霾之上的高度比其他類木行星的高度要低是值得注意的。 ^[10] 

天王星大氣層的最外層是熱層（增温層或暈），有着均勻一致的温度，大約在800至850K。仍不瞭解是何種熱源支撐着如此的高温，雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳氫化合物也能貢獻一些能源，但即使是太陽的遠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，氫分子和增温層與暈擁有大比例的自由氫原子，她們的低分子量和高温可以解釋為何暈可以從行星擴展至50000公里，天王星半徑的倆倍遠。這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。他的作用包括阻尼環繞天王星的小顆粒，導致一些天王星環中塵粒的耗損。天王星的增温層和平流層的上層對應着天王星的電離層。觀測顯示電離層佔據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，這可能肇因於碳氫化合物在平流層低處的集中。電離層是承受太陽紫外線輻射的主要區域，它的密度也依據太陽活動而改變。極光活動不如木星和土星的明顯和重大。 ^[11] 

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雲帶特徵。有人提出解釋認為這種特徵是天王星的內熱低於其他巨大行星的結果。記錄到天王星對流層頂的最低温度是49K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系温度最低的行星（原來九大行星中温度最低的冥王星已不再是行星）。

在1986年，旅行者2號發現可見的天王星南半球可以被細分成兩個區域：明亮的極區和暗淡的赤道帶狀區。兩這區的分界大約在緯度-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徵，被稱為南半球的“衣領”。極冠和衣領被認為是甲烷雲密集的區域，位置在大氣壓力1.3至2帕的高度。很不幸的是，旅行者2號抵達時正是盛夏，而且觀察不到北半球的部分。不過，從21世紀開始之際，北半球的“衣領”和極區就可以被哈勃太空望遠鏡和凱克望遠鏡觀測到。結果，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”以北都是一樣的黑暗。天王星上之後可能出現的季節變化，將會被詳細的討論。天王星可以觀察到的緯度結構和木星與土星是不同的，它們展現出許多條狹窄但色彩豐富的帶狀結構。

1990年代的高分辨率成像觀測表明，亮雲特徵的數量有着明顯的增長。它們多數都出現於北半球開始成為可以看見的區域。早期的解釋—認為是亮雲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”掩蓋掉—被證明是錯誤的，實際上特徵數量已確實顯著增加。不過，兩個半球的亮雲是有區別的，北半球的亮雲較小、較尖鋭和較明亮。它們看上去都躺在較高的高度。亮雲的生命期有着極大的差異，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後仍一直存在着。最近的觀察也發現，雖然天王星的氣候較為平靜，但天王星的亮雲有許多特性與海王星相同。

追蹤這些有特徵的亮雲，可以測量出天王星對流層上方的風是如何在極區咆哮。在赤道的風是退行的，意味着它們吹的方向與自轉的方向相反，它們的速度從−100至−50米/秒。風速隨着遠離赤道的距離而增加，大約在緯度±20°靜止不動，這兒也是對流層温度最低之處。再往極區移動，風向也轉成與行星自轉的方向一致，風速則持續增加，在北緯60°處達到最大值，然後下降至極區減弱為0。在南緯40°附近，風速從150到200米/秒，因為“衣領”蓋過了所有平行的亮雲，無法測量從哪兒到南極之間的風速。與北半球對照，風速在緯度+50°達到最大值，速度高達240米/秒。

2004年3月到5月這一短暫期間，很多片大塊亮雲出現天王星大氣層裏，這讓天王星有着類似海王星般的外觀。觀察到229米/秒（824公里/時）的破錶風速，和被稱為“7月4日煙火”的雷雨風暴。2006年8月23日，科羅拉多州博爾德市太空科學學院和威斯康辛大學的研究員觀察到天王星表面有一個大黑斑，讓天文學家對天王星大氣層的活動有更多的瞭解。雖然為何這突如其來活動暴漲的發生原因仍未被研究員所明瞭，但是它呈現了天王星極度傾斜的自轉軸所帶來的季節性的氣候變化。要確認這種季節變化的本質是很困難的，因為對天王星大氣層堪用的觀察數據仍少於84年，也就是一個完整的天王星年。雖然已經有了一定數量的發現，光度學的觀測已經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呈現了規律性的變化，最大值出現於至點，最小值出現於晝夜平分點。從1960年開始的微波觀測，深入對流層的內部，也得到相似的週期變化，最大值也在至點。從20世紀70年代開始對平流層進行的温度測量也顯示最大值出現於1986年的至日附近。多數的變化相信與可觀察到的幾何變化相關。

然而，有某些理由相信天王星物理性的季節變化也在發生。當南極區域變得明亮時，北極相對的呈現黑暗，這與上述概要性的季節變化模型是不符合的。在1944年抵達北半球的至點之前，天王星亮度急遽提升，顯示北極不是永遠黑暗的。這個現象意味着可以看見的極區在至日之前開始變亮，並且在晝夜平分點之後開始變暗。詳細的分析可見光和微波的資料，顯示亮度的變化週期在至點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。最後，在20世紀90年代，在天王星離開至點的時期，哈柏太空望遠鏡和地基的望遠鏡顯示南極冠出現可以察覺的變暗（南半球的“衣領”除外，它依然明亮），同時，北半球的活動也證實是增強了，例如雲層的形成和更強的風，支持期望的亮度增加應該很快就會開始。

天王星物理變化的機制還不是很清楚，在接近至點，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為是對流層裏來自甲烷雲與陰霾層局部增厚的結果。在緯度-45°的明亮“衣領”也與甲烷雲有所關聯。在南半球極區的其他變化，也可以用低層雲的變化來解釋。來自天王星微波發射譜線上的變化，或許是在對流層深處的循環變化造成的，因為厚實的極區雲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即將來臨，動力學上的改變和對流可能會再發生。

在1986年，旅行者2號飛掠時，天王星的南極幾乎正對着太陽。標記這個極是南極是基於國際天文聯合會的定義：行星或衞星的北極，是指向太陽系不變平面的上方（不是由自轉的方向來決定）。但是，仍然有不同的協定被使用着：一個天體依據右手定則所定義的自轉方向來決定北極和南極。根據後者的座標系，1986年在陽光下的極則是北極。

天王星有一個暗淡的行星環系統，由直徑約十米的黑暗粒狀物組成。這是繼土星環之後，在太陽系內發現的第二個環系統。天王星環包含13個已命名的小環，其中最明亮的是ε環（Epsilon），其他的環都非常黯淡。天王星的光環像木星的光環一樣暗，但又像土星的光環那樣有相當大的直徑。天王星環被認為是相當年輕的，在圓環周圍的空隙和不透明部分的區別，暗示她們不是與天王星同時形成的，環中的物質可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衞星。而最外面的第5個環的成分大部分是直徑為幾米到幾十米的冰塊。除此之外，天王星可能還存在着大量的窄環，寬度僅有50米，單環的環反射率非常低。

天王星環的發現日期是1977年3月10日，在James L. Elliot、Edward W. Dunham、和Douglas J. Mink使用柯伊伯機載天文台觀測時。這個發現是很意外的，他們原本的計劃是觀測天王星掩蔽SAO 158687以研究天王星的大氣層。然而，當他們分析觀測的資料時，發現行星遮掩的前後，這顆恆星都曾經短暫的消失了五次。他們認為，必須有個環系統圍繞着行星才能解釋。後來他們又偵測到四個額外的環。旅行者2號在1986年飛掠過天王星時，直接看見了這些環。旅行者2號也發現了兩圈新的光環，使環的數量增加到11圈（不包括2003年發現的）。

在2005年12月，哈勃太空望遠鏡偵測到一對早先未曾發現的藍色圓環。最外圍的一圈與天王星的距離比早先知道的環遠了兩倍，因此新發現的環被稱為環系統的外環，使天王星環的數量增加到13圈。哈柏同時也發現了兩顆新的小衞星，其中的天衞二十六還與最外面的μ環共享軌道。在2006年4月，凱克天文台公佈的新環影像中，外環的一圈是藍色的，另一圈則是紅色的。關於外環顏色是藍色的一個假説是，它由來自天衞二十六的細小冰微粒組成，因此能散射足夠多的藍光。天王星的內環看起來是呈灰色的。

天王星有27顆已知天然的衞星，這些衞星的名稱都出自威廉·莎士比亞和亞歷山大·波普的歌劇中的人物。五顆主要衞星的名稱是天衞五（Miranda）、天衞一（Ariel）、天衞二（Umbriel）、天衞三（Tatania）和天衞四（Oberon）。天衞三和天衞四是威廉·赫歇爾在1787年3月13日發現的第一顆和第二顆天王星衞星，天衞一和天衞二是在1851年被威廉·拉塞爾發現的。但直到1852年，威廉·赫歇爾的兒子約翰·赫歇爾才為這四顆衞星命名。1948年，傑拉德·柯伊伯發現第五顆衞星天衞五。天王星衞星系統的質量是氣態巨星中最少的，五顆主要衞星的總質量還不到海衞一質量的一半。最大的衞星天衞三半徑只有788.9公里，還不到月球的一半，但是比土星第二大的衞星土衞五（Rhea）稍大些。這些衞星的反照率相對也較低，天衞二約為0.2，天衞一約為0.35（在綠色光譜上）。這些衞星由冰和岩石組成，大約是50%的冰和50%的岩石，冰也許包含氨和二氧化碳。 ^[12] 

在較大的衞星中，天衞一有着最年輕的表面，上面只有少許的隕石坑，天衞二看起來是最古老的。天衞五擁有深達20公里的斷層峽谷，梯田狀的層次和混亂的變化，形成令人混淆的表面年齡和特徵。天衞五過去的地質活動被認為是在某段時候當其軌道比當前更偏心時受到潮汐加熱的影響，偏心的原因大概是跟天衞二軌道共振（過去與當今3:1比例）的結果。與地幔上湧並擠入相關的外部加工很可能是天衞五上如同“賽馬場”形狀的冕狀物（詳見金星冕狀物）的起源。同樣的，天衞一被認為曾經處於與天衞三4:1軌道共振的位置。旅行者2號探測器於1986年1月飛掠天王星，在隨後的照片研究中，天文學家發現了天衞六至天衞十五以及天衞二十五共11顆小衞星。後來使用地面的望遠鏡也證實了這些衞星的存在。

天王星的體積約為地球的64倍，其大氣中包含83%的氫氣，15%的氦氣，2%的甲烷氣體，表面温度平均為零下215℃。2014年8月6日，美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）在夏威夷凱克天文台（W.M.Keck Observatory），利用哈勃太空望遠鏡成功的觀測並記錄了一場最大規模的風暴。因為天王星具備氣態行星的特質，所以經常爆發風暴，此前觀測到的一次最大規模的風暴被命名為Berg。Berg發生在2000年，其引起的巨大影響一直持續到2009年才消失殆盡。

1986年1月，美國國家航空航天局的旅行者2號拜訪了天王星。這是對天王星僅有的近距離探測，之後一直沒有新的探測計劃。旅行者2號在1977年發射，在繼續前往海王星的旅程之前，旅行者2號在1月24日最接近天王星，距離近達81500公里。旅行者2號研究了天王星大氣層的結構和化學組成，發現了10顆新衞星，還研究了天王星因為自轉軸傾斜97.77°所造成的獨特氣候，並觀察了天王星的環系統。它也研究了天王星的磁場。它對最大的五顆衞星做了首度的詳細調查，並研究當時已知的九圈光環，也新發現了另外兩道光環。

2023年5月26日消息，美國宇航局的“旅行者 2 號”（Voyager 2）幾十年前飛掠天王星的時候，發現其南極周圍出現了漩渦。天文學家當時展開了相關研究，發現温度並未發生變化，因此認為天王星的大氣層相當惰性。根據近日發表在《Geophysical Research Letters》上的論文，天文學家認為在天王星的北極，存在着圍繞北極旋轉的極地渦旋。 ^[15] 

當地時間2022年5月31日，法新社公佈了天王星和海王星影像。畫面中，左側為天王星，右側為海王星。該影像是旅行者2號飛船在20世紀80年代飛越這兩個行星時拍攝到的。 ^[13] 

2024年3月13日至3月15日日落後，一彎蛾眉月位於西方低空，在三天時間內依次經過木星、天王星和昴星團附近。其中，14日傍晚，天王星距離月亮大約3°，是通過月亮尋找天王星的好機會。 ^[18] 

2022年，德國、法國研究人員開展的一項新穎的實驗證實：在太陽系外圍海王星和天王星的冰巨星內確實會下“鑽石雨”。 ^[14] 

天王星的自轉軸與黃道面的傾角為97.77度（行星傾斜度最大的吉尼斯世界紀錄）。 ^[16]