내부열
천왕성의 내부 열은 다른 거대한 행성들 열보다 낮으며, 천문학적인 용어로는 열유속이 낮다고 나타냅니다. 천왕성의 내부열은 왜 낮은지는 여전히 이해가 안 가는 현상입니다. 천왕성의 크기와 구성요소가 쌍둥이 같은 해왕성은 태양으로부터 받는 에너지의 2.61 배를 우주로 방출하지만, 천왕성은 과도한 열을 거의 방출하지 않습니다. 스펙트럼의 한 부분인 먼 적외선 (즉 열을 뜻함) 천왕성에 의해 방출되는 총에너지는 대기에서 흡수된 태양열 에너지의 1.06 ± 0.08 배입니다. 천왕성의 열 유속은 단지 0.042 ± 0.047 W / m2이며, 이는 지구의 내부 열 유속보다 약 0.075W / m2 낮습니다. 천왕성의 권계면(대류권과 성층권 사이)에 기록된 최저 기온은 49 K (-224.2 ° C; -371.5 ° F)이며 천왕성은 태양계에서 가장 차가운 행성이 됩니다. 차이에 의한 한 가설은 원시의 열이 초대형 임팩터 (태양의 약 5만 배)와 충돌하였을 때, 고갈된 내부 온도가 남았음을 의미합니다. 이 충격적인 가설은 또한 행성의 축 방향 기울기를 설명하기 위한 몇 가지 시도에서 사용됩니다. 또 다른 가설은 천장의 열이 표면에 도달하는 것을 막는 천왕성 상부층에 어떤 형태의 장벽이 존재한다는 것입니다. 이 충격적인 가설은 또한 행성의 축 방향 기울기에 대한 설명으로도 사용됩니다. 또 다른 가설은 천왕성의 성층에 존재하는 장층의 형태를 한 것이 내부열이 천왕성 표면으로부터 가는 것을 막는다고 합니다. 예를 들어 대류는 샹향 열이 변형되는 걸 억제하는 다른 층의 구조의 장소에서 아마 이중 확산대류가 제한요소일 수 있습니다.
천왕성의 대기
천왕성 내부에는 고체 표면이 없는 것으로 생각되지만 천왕성의 기체 외피 가장 바깥쪽 부분에는 원격 탐사가 쉬운 부분이 있는데, 여기를 천왕성의 대기라고 부릅니다. 천왕성의 대기는 대략 300 km 아래, 압력이 1 바(100 kPa)이고 온도는 320 켈빈인 곳까지 원격 탐사가 가능합니다. 미약한 코로나는 1 바 압력의, 명목상의 ‘표면’에서 행성 반경의 두 배 이상 펼쳐져 있습니다. 천왕성의 대기는 3개의 층으로 나뉩니다. 고도 -300 ~ 50 km에 압력 100 ~ 0.1 바(10 MPa ~ 10 kPa)인 대류권, 고도 50 ~ 4000 km에 압력 0.1 ~ 10-10 바(10 kPa ~ 10 µPa)인 성층권, 그리고 고도 4000 km ~ 표면으로부터 50000 km 높이까지 펼쳐진 열권과 코로나층이 그것입니다. 중간권은 없습니다. 천왕성의 대기에는 수소가 약 83%, 헬륨이 15%, 메탄 2% 등이 포함되어 있으며, 반사율이 높은 암모니아와 황이 대기의 깊숙이 있을 것입니다. 천왕성의 대기는 태양빛의 적색 파장을 흡수하고 청색과 녹색의 파장 상당량을 반사하기 때문에 전체적으로 청록색을 띱니다.
한편, 천왕성의 대기 조성, 대류권, 대기 상층부에 대해서는 알려진 바가 없습니다.
행성 고리
천왕성은 희미한 행성 고리를 지니는데 직경 10미터까지의 어두운 미립자로 구성되어있습니다. 이는 태양계에서 토성 다음으로 두 번째로 발견된 고리입니다. 구분되는 13개의 고리들이 현재 알려져 있고 가장 밝은 고리는 엡실론 고리입니다. 천왕성의 고리들은 오래되지 않았을 가능성이 있습니다. 이들의 투명도의 차이나 틈은 이들이 천왕성과 함께 형성되지 않았음을 시사합니다. 고리를 이루는 물질은 고속 충돌이나 조석력으로 인해 부서진 위성이었을 수 있습니다.
천왕성의 기후
자외선과 가시광선 파장에서 천왕성을 보면, 천왕성의 대기는 다른 거대 가스 행성들과는 달리 매우 고요하며, 쌍둥이격인 해왕성과도 큰 차이를 보이고 있습니다. 보이저 2호가 1986년에 해왕성을 접근 통과했을 당시, 보이저가 발견한 특이한 구름은 행성 전체에 10개 뿐이었습니다. 이 ‘특징이 없는 특징’은 천왕성의 내부열이 다른 가스 행성보다 현저히 낮기 때문입니다. 천왕성의 대류권 계면에서 가장 낮은 온도는 49K로, 태양에서 가장 먼 행성인 해왕성보다도 오히려 온도가 낮아 태양계에서 가장 추운 행성으로 기록되고 있습니다.
구름과 바람
천왕성은 핵이 수축하지 않아 대기가 매우 안정적이며, 바람이 거의 불지 않습니다. 그러나 최근에 여러 구름과 바람이 부는 것이 망원경에 포착되어 관측의 대상이 되었습니다.
계절의 변화
2004년 3월부터 그해 5월까지의 짧은 기간동안, 천왕성의 대기에 커다란 구름들이 여럿 나타나 마치 해왕성과 같은 모습이 되었습니다. 관측 결과 229 m/s(824 km/h)라는 기록적인 속도의 바람과 “독립 기념일 불꽃놀이”만큼 격렬하고 지속적인 뇌우가 발견되었습니다. 2006년 8월 23일에 우주과학 연구소(콜로라도주 볼더 소재)와 위스콘신 대학교 소속의 연구진이 천왕성 표면의 검은 점을 관측했고, 천문학자들은 천왕성의 대기 활동에 대해 보다 많은 사실을 알게 되었습니다. 왜 천왕성의 대기 활동이 이렇게 갑자기 급증했는지는 확실히 알 수 없지만, 천왕성의 극단적인 자전축 기울기가 계절별로 극단적인 날씨 변화를 만들어 내는 것으로 보입니다. 천왕성 대기에 대한 믿을 만한 데이터가 1 천왕성년인 84 지구년 이상 축적되어 있지 못하기 때문에, 이 계절 변화의 종류를 단정하기는 어렵지만 여러 가지 연구가 진행 중입니다. 약 반 천왕성년동안 진행된 광도 측정(1950년대에 시작) 결과 두 개의 분광 대역의 밝기에서 주기적인 변동이 나타났는데, 최댓값은 지점에서 최솟값은 분점에서 나타났습니다. 1960년대에 시작된 대류권 심층부 마이크로파 측정에서도 지점에서 최댓값이 나타나는 비슷한 주기성이 발견되었습니다. 1970년대부터는 성층권의 온도 측정이 시작되었는데 이 역시 1986년, 지점 위치에서 최댓값을 보였습니다.