조성과 구조
해왕성의 질량은 1.0243 ×1026 kg으로, 지구와 거대 기체 행성 사이의 중간 정도입니다. 질량이 지구의 17배이지만 목성의 1/19에 불과합니다.
해왕성의 적도 반지름은 24,764km로 지구의 거의 4배입니다. 해왕성과 천왕성은 질량이 지구와 목성 중간 정도인 데다 물, 암모니아 등의 휘발성 물질이 내부 구성 물질 중 차지하는 비중이 높기 때문에, 목성이나 토성과 같은 거대 가스 행성과 구별하여 거대 얼음 행성으로 부르기도 합니다. 이런 이유에서 외계 행성 탐사에 있어 목성과 비슷한 질량 또는 그 이상을 '목성족(族)'으로 부르는 것처럼 질량이 해왕성과 비슷한 천체들을 '해왕성족'으로 부르고 있습니다.
구조
해왕성의 내부 구조는 천왕성과 유사합니다. 전체 질량의 5 ~ 10%, 표층에서 핵까지 부피의 10 ~ 20%를 대기가 차지하며, 대기압은 약 10 GPa입니다. 대기의 하층부에서는 메테인, 암모니아, 물이 응축되는 것이 발견되었습니다.
이 어둡고 뜨거운 영역은 점차로 온도 2,000 K ~ 5,000 K의 초열 상태의 액체 맨틀로 응축됩니다. 해왕성의 맨틀은 질량이 10 ~ 15 지구질량이며 물과 암모니아, 메테인이 풍부합니다. 이 혼합물은 고온고압의 유체지만 통상적인 행성과학에서 "얼음"이라고 불립니다. 전기 전도성이 높은 이 유체는 암모니아수의 바다(water-ammonia ocean)라고 불리기도 합니다. 해왕성 내부 7000 km 깊이는 메테인이 분해된 뒤 탄소가 다이아몬드 결정이 되어 핵으로 가라앉는 환경일 가능성도 있습니다.
해왕성의 핵은 철분, 니켈, 규산염으로 이루어져 있으며, 내부 모형에서는 지구 질량의 1.2배를 차지합니다. 해왕성 중심에서는 기압이 지구 표면 대기압의 백만 배인 7Mbar (700 GPa), 온도는 5,400K에 달합니다.
대기
높은 고도에서 해왕성 대기는 80%가 수소, 19%가 헬륨입니다. 극미량의 메테인도 존재하는데, 스펙트럼 상에서 붉은색과 적외선의 영역인 600 nm 파장에서 메테인의 흡수선이 나타납니다. 천왕성과 마찬가지로 해왕성도 대기 중의 메테인이 붉은빛을 흡수, 푸른빛을 띠게 만듭니다. 하지만 해왕성의 깔끔한 담청색은 천왕성의 탁한 청록색과는 차이가 있습니다. 해왕성의 대기 중에 존재하는 메테인 성분은 천왕성과 비슷하지만, 메테인에 더해 어떤 미지의 성분이 해왕성의 색깔을 만들어낸다고 추측됩니다.
해왕성의 대기는 고도가 높아짐에 따라 온도가 낮아지는 아래쪽의 대류권과 고도가 높아짐에 따라 온도가 높아지는 성층권, 두 부분으로 다시 나뉩니다. 둘 사이의 경계인 권계면에서는 기압이 대략 0.1 바 (10 kPa)인 곳에서 나타납니다. 성층권은 기압이 10−5 ~ 10−4 마이크로바 (1 ~ 10 Pa) 이하인 곳에서 열권과 나뉩니다. 열권은 점차 외기권으로 넘어갑니다.
고고도의 구름띠가 그 아래의 구름 마루에 그림자를 드리우고 있습니다.
해왕성의 대류권은 고도에 따라 다양한 구성 성분을 나타내는 구름들로 둘러싸여 있는 듯 합니다. 상층부의 구름들은 메탄이 응축하기에 적당한 온도를 나타내는 1 바 이하의 압력에서 형성되며, 1 바 ~ 5 바(100 ~ 500 kPa) 정도 압력에서는 암모니아와 황화수소의 구름이 형성되는 것으로 추측됩니다. 5 바 이상의 압력에서는 암모니아, 황화 암모늄, 황화수소, 물로 이루어진 구름이 만들어집니다. 더 깊은 곳에 존재하는 수빙질의 구름은 온도가 0 °C에 도달하는 약 50 바(5.0 MPa)의 압력에서 형성되는 것으로 보입니다. 한편, 밑바닥에서는 암모니아와 황화수소의 구름이 발견될 가능성이 존재합니다.
해왕성의 고고도 구름이 아래쪽의 불투명한 구름 마루에 그림자를 드리우는 것이 관측된 바도 있습니다. 또한 일정한 위도에 존재하는 고고도 구름띠도 존재합니다. 이 원형의 구름띠들은 너비가 약 50–150 km이며 구름 마루 위 약 50–110 km 상공에 위치하고 있습니다.
해왕성의 스펙트럼은 그 하부 성층권이 메테인의 자외선 광분해의 결과물, 즉 에테인·아세틸렌 등의 응축물 때문에 흐린 상태라는 것을 암시하고 있습니다. 또한 성층권에는 극소량의 일산화 탄소와 시안화수소가 포함되어 있는 것 같습니다. 해왕성의 성층권은 고농도의 탄화수소 때문에 해왕성의 성층권보다 기온이 높습니다.
해왕성의 열권은 약 750K이라는 이례적인 고온을 나타내는데, 그 이유는 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 해왕성은 태양의 열을 받기에는 너무 멀기 때문에 이 열은 자외선 복사 에너지 때문에 만들어지는 것으로 보입니다. 해왕성 대기가 가열되는 메커니즘의 가설 중 하나로 자기권 내의 이온들이 상호작용한다는 것이 있습니다. 다른 가설로는 해왕성 내부에서 발생하는 충격파가 대기권에서 열을 방산한다는 것이 있습니다. 열권은 극소량의 이산화 탄소와 물을 포함하고 있는데, 이것들은 운석과 먼지 등의 외부 물질 때문에 해왕성 내에 쌓이게 된 것으로 보입니다.
자기권
해왕성은 그 자기권도 천왕성과 비슷합니다. 해왕성의 자기장은 자전축에 47° 기울어져 있으며, 반지름의 0.55배 지점에서부터 행성의 물리적 중심에서 약 13500 km 떨어진 곳까지 갈라져 나옵니다. 보이저 2호가 해왕성에 도착하기 전에는 천왕성의 기울어진 자기권이 옆으로 비스듬한 천왕성 고유의 자전 모양 때문이라는 가설도 세워졌었습니다. 그러나 두 행성의 자기장을 비교한 결과, 현재 과학자들은 자기장의 극단적인 방향이 행성 내부의 유동을 나타낸다고 생각하고 있습니다. 이 장은 전기 전도성 액체(암모니아, 메테인, 물의 화합물로 추측)로 이루어진 얇은 구형 층 속에서 대류 하는 유체의 움직임, 즉 다이너모 때문에 만들어지는 듯합니다.
해왕성의 자기 적도에서 자기장의 쌍극자 성분은 약 14 마이크로테슬라(0.14G)입니다. 해왕성의 쌍극자 자기 모멘트는 약 2.2 × 1017 T·m3 (14 μT·RN3, 여기서 RN은 해왕성의 반지름)입니다. 해왕성의 자기장은 쌍극자 모멘트의 강도를 넘는 강한 사중극자 모멘트를 포함하여 비 쌍극자 구성요소의 상대적으로 큰 기여를 포함하는 복잡한 기하학을 가지고 있습니다. 반면 지구, 목성, 토성은 사중극자 모멘트가 상대적으로 작으며 극축에서 장이 덜 기울어져 있습니다. 해왕성의 큰 사중극자 모멘트는 행성의 중심으로부터의 오프셋과 필드의 발전기의 기하학적 제약의 결과일 수 있습니다.
해왕성의 뱃머리 충격파는 해왕성의 반경 34.9배 지점에서 발생합니다. 자기권이 태양풍을 상쇄하는 자기권계면은 행성의 반경 23 ~ 26.5배 지점에 있습니다. 자기권의 말단은 해왕성의 반지름의 최소 72배 지점까지 펼쳐져 있으며, 더 멀리까지 퍼져 있을 가능성이 높습니다.