1.天王星概况
天王星，是距太阳从近到远的第七颗行星。在太阳系中，天王星体积排名第三，质量排名第四。它的名称来自古希腊神话中的天空之神乌拉诺斯，是克洛诺斯（农神）的父亲，宙斯（朱比特）的祖父。天王星是第一颗在现代发现的行星，虽然它的光度与五颗传统行星一样，亮度是肉眼可见的，但由于较为黯淡而未被古代的观测者发现。天王星是威廉·赫歇尔爵士发现的，他于1781年3月13日宣布了这一发现。在太阳系的现代史上，他首度扩展了已知的界限。天王星也是第一颗使用望远镜发现的行星。
天王星大气的主要成分是氢和氦，还包含较高比例的由水、氨、甲烷结成的“冰”，与可以察觉到的碳氢化合物。它是太阳系内温度最低的行星，最低的温度只有49开，还有复合体组成的云层结构，水在最低的云层内，而甲烷组成最高处的云层。
天王星也有环系统、磁层和许多卫星。天王星的系统在行星中非常独特，因为它的自转轴斜向一边，几乎就躺在公转太阳的轨道平面上，因而南极和北极躺在其他行星的赤道位置上。从地球看，天王星的环像是环绕着标靶的圆环，它的卫星则像环绕着钟的指针。1986年，来自“旅行者”2号的影像显示，天王星实际上是一颗平凡的行星，在可见光的影像中，没有像在其他巨大行星所拥有的云彩或风暴。然而，近几年，随着天王星接近昼夜平分点，地球上的观测者看见了天王星有季节的变化和渐增的天气活动。天王星的风速可以达到每秒250米。
2.天王星的发现与探测
天王星在被发现是行星之前，已经被观测了很多次，但都把它当作恒星看待。最早的纪录可以追溯至1690年，约翰·佛兰斯蒂德在星表中，将他编为金牛座34，并且至少观测了6次。法国天文学家在1750年至1769年也至少观测了12次，包括一次连续四夜的观测。
1781年3月13日，威廉·赫歇尔在索美塞特巴恩镇新国王街19号（现在是赫歇尔天文博物馆）的庭院中观察到这颗行星，1781年4月26日他在最早的报告中称它是彗星。赫歇尔用他自己设计的望远镜“对这颗恒星做了一系列视差的观察”。他在他的学报上记录着：“在与金牛座成90°的位置……有一个星云样的星或者是一颗彗星。”3月17日，他注记着：“我找到一颗彗星或星云状的星，并且由他的位置变化，发现是一颗彗星。”当他将发现提交给皇家学会时，虽然含蓄的认为比较像行星，但仍然声称是发现了彗星。
威廉·赫歇尔—天王星的发现者
赫歇尔因为他的发现，被通知成为皇家天文学家，并且语无伦次地在4月23日回复说：“我不知该如何称呼它，它在接近圆形的轨道上移动，很像一颗行星，而彗星是在很扁的椭圆轨道上移动。我也没有看见彗发或彗尾。”
当赫歇尔继续谨慎的以彗星描述他的新对象，其他的天文学家已经开始做不同的怀疑。前苏联天文学家安德罗·约莱斯尔估计，它至太阳的距离是地球至太阳的18倍，而没有彗星曾在近日点四倍于地球至太阳距离之外，被观测到。柏林天文学家约翰·波得描述赫歇尔的发现，像是“在土星轨道之外的圆形轨道上移动的恒星，可以被视为迄今仍未知的像行星的天体”。波得断定，这个以圆轨道运行的天体，比彗星更像是一颗行星。
这个天体很快便被接受是一颗行星。在1783年，法国科学家拉普拉斯证实，赫歇尔发现的是一颗行星。赫歇尔本人也向皇家天文学会的主席约翰·班克斯承认这个事实：“经由欧洲最杰出的天文学家观察，显示这颗新的星星，我很荣誉的在1781年3月指认出的，是太阳系内主要的行星之一。”为此，威廉·赫歇尔被英国皇家学会授予柯普莱勋章。乔治三世依据他的成就，将他移居至温莎王室，让皇室的家族有机会使用他的望远镜观星。
3.天王星的轨道和自转
据科学测算，天王星每84个地球年环绕太阳公转一周，与太阳的平均距离大约30亿千米，阳光的强度只有地球的1/400.它的轨道元素在1783年首度被拉普拉斯计算出来，但随着时间的流逝，预测和观测的位置开始出现误差。1841年约翰·柯西·亚当斯首先提出，误差也许可以归结于一颗还未被看见的行星的拉扯。1845年，勒维耶开始独立的进行天王星轨道的研究。1846年9月23日，迦雷在勒维耶预测位置的附近，发现了一颗新行星，随后被命名为海王星。
天王星内部的自转周期是17小时14分，在它上部的大气层朝自转的方向，可以体验到非常强的风。实际上，在有些纬度，比如从赤道到南极的2/3路径上，可以看见移动非常迅速的大气，只要14个小时就能完整的自转一周。
天王星的自转轴躺在轨道平面上，倾斜角高达98°，这使它的季节变化完全不同于其他的行星。其他行星的自转轴，相对于太阳系的轨道平面都是朝上的，天王星的转动则像倾倒而被辗压过去的球。当天王星在至日附近时，一个极点会持续的指向太阳，另一个极点则背向太阳。只有在赤道附近狭窄的区域内，可以体会到迅速的日夜交替。但太阳的位置非常低，犹如太阳在地球的极区。运行到轨道的另一侧时，换成轴的另一极指向太阳。每一个极都会有被太阳持续照射42年的极昼，而在另外42年则处于极夜。在接近昼夜平分点时，太阳正对着天王星的赤道，天王星的日夜交替和其他的行星相似，2007年12月7日，天王星经过了日夜平分点。
这种轴的指向带来的一个结果是，在一年之中，天王星的极区得到来自太阳的能量多于赤道，不过天王星的赤道依然比极区热，导致这种结果的机制仍然未知。天王星异常的转轴倾斜原因也不知道，但是通常的猜想是，在太阳系形成的时候，一颗地球大小的原行星撞击到天王星，造成了指向的歪斜。
4.天王星的物理性质
据科学探测，天王星主要是由岩石与各种成分不同的水冰物质组成，组成的主要元素为氢，其次为氦。在许多方面，天王星的性质比较接近木星与土星的地核部分，却没有类木行星包围在外的巨大液态气体表面。天王星没有土星与木星那样的岩石内核，它的金属成分，是以一种比较平均的状态，分布在整个地壳之内。直接以肉眼观察，天王星的表面呈现洋蓝色，这是因为它的甲烷大气吸收了大部分的红色光谱。
（1）天王星的内部结构
天王星的质量，大约是地球的14.5倍，是类木行星中质量最小的。它的密度每立方厘米1.24克，直径大约是地球的4倍。天王星主要由各种各样挥发性物质组成，例如水、氨和甲烷等。天王星内部冰的总含量，还不能精确的知道，根据选择的模型不同，有不同的含量，但是都在地球质量的9.3～13.5倍之间。
天王星的标准模型结构，包括三个层面：在中心的岩石核，在中间的冰的地函，在外面的由氢/氦组成的外壳。核非常小，密度大约是每立方厘米9克，半径不到天王星的20%；地函则是个庞然大物，质量大约是地球的13.4倍；最外层的大气层，相对不明确，大约占有剩余20%的半径，但质量大约只有地球的0.5倍。在核和地函交界处的压力是800万帕和大约5000开的温度。冰的地函，实际上并不是由一般意义上所谓的冰组成，而是由水、氨和其他挥发性物质组成的热且稠密的流体。这些流体有高导电性，有时被称为水—氨的海洋。天王星和海王星的大块结构，与木星和土星相当不同，冰的成分超过气体，因此有理由将它们分开，另成一类为冰巨星。
上面所考虑的模型，或多或少都是标准的，但不是唯一的，其他的模型也能满足观测的结果。例如，如果大量的氢和岩石混合在地函中，则冰的总量就会减少，并且岩石和氢的总量相对就会提高。目前可利用的数据，还不足以让我们确认哪一种模型才是正确的。天王星内部的流体结构，意味着没有固体表面，气体的大气层是逐渐转变成内部的液体层内。但是，为便于扁球体的转动，在大气压力达到1巴之处，被定义和考虑为行星的表面时，它的赤道和极的半径分别是25559±4千米和24973±20千米。这样的表面将作为此文中高度的零点。
（2）天王星的内热
天王星的内热，看上去明显比其他的类木行星低，在天文项目中，它是低热流量。目前，科学家仍不了解天王星内部的温度为何会如此低。从大小和成分方面来看，天王星和海王星像是双胞胎，但海王星放至太空中的热量是得自太阳的2.61倍，而天王星几乎没有多出来的热量放出。天王星在远红外的部分，释出的总能量是大气层吸收自太阳能量的1.06±0.08倍。事实上，天王星的热流量只有每平方米0.042±0.047瓦，远低于地球内的热流量每平方米0.075瓦。天王星对流层顶的温度最低温度记录只有49开，使天王星成为太阳系温度最低的行星，比海王星还要冷。
5.天王星上的海洋
根据“旅行者”2号的探测结果，科学家推测天王星上可能有一个深度达1万千米，温度高达6650℃，由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。由于天王星上巨大而沉重的大气压力，分子紧靠在一起，使得高温海洋未能沸腾、蒸发。反过来，由于海洋的高温，恰好阻挡了高压的大气将海洋压成固态。海洋从天王星高温的内核一直延伸到大气层的底部，覆盖整个天王星。必须强调的是，这种海洋与我们所理解的、地球上的海洋完全不同。然而，近年却有观点认为，天王星上不存在这个海洋。真相如何，恐怕只有待进一步的观测，或是寄望美国国家航空航天局会落实初步构想中的“新视野号2号计划”，派出无人探测船再度拜访天王星。
6.天王星的大气层
虽然在天王星的内部，没有明确的固体表面，天王星最外面的气体包壳，也就是被称为大气层的部分，却很容易以遥传感量。遥传感量的能力，可以从1帕之处为起点向下深入至300千米，相当于100帕的大气压力和320开的温度。稀薄的晕，从大气压力1帕的表面向外延伸扩展至半径两倍之处。天王星的大气层，可以分为三层：对流层，从高度1300～50千米，大气压100～0.1帕；平流层（同温层），高度50至4000千米，大气压力0.1～10帕；增温层/晕，从4000千米向上延伸至距离表面50000千米处。天王星没有中气层（散逸层）。
（1）天王星的成分
天王星大气层的成分和天王星整体的成分不同，主要是氢分子和氦。氦的摩尔分数，这是每摩尔中所含有的氦原子数量，是0.15±0.03；在对流层的上层，相当于0.26±0.05质量百分比。这个数值很接近0.275±0.01的原恒星质量百分比。在天王星的大气层中，含量占第三位的是甲烷。甲烷在可见和近红外的吸收带，为天王星制造了明显的蓝绿或深蓝的颜色。在大气压力1.3帕的甲烷云顶之下，甲烷在大气层中的摩尔分数是2.3%，大约是太阳的20～30倍。混合的比率在大气层的上层，由于极端的低温，降低了饱和的水平并且造成多余的甲烷结冰。对低挥发性物质的丰富度，像是氨、水和硫化氢，在大气层深处的含量人们所知有限，但是大概也会高于太阳内的含量。除甲烷之外，在天王星的上层大气层中，可以追踪到各种各样微量的碳氢化合物。它们被认为是太阳的紫外线辐射，导致甲烷光解产生的，包括乙烷、乙炔、甲基乙炔、联乙炔。光谱也揭露了水蒸气的踪影，一氧化碳和二氧化碳在大气层的上层，但可能只是来自于彗星和其他外部天体的落尘。
（2）天王星的对流层
对流层是大气层最低和密度最高的部分，温度随着高度增的加而降低，温度从有名无实的底部大约320开降低至53K，高度从300千米降低至50千米。但对流层顶实际的最低温度，在49～57K，依在行星上的高度来决定。对流层顶是行星的上升暖气流辐射远红外线最主要的区域，由此处测量到的有效温度是59.1±0.3K。
对流层应该还有高度复杂的云系结构，水云被假设在大气压力50～100帕，氨氢硫化物云在20～40帕，氨或氢硫化物云在3～10帕，最后是直接侦测到的甲烷云在1～2帕。对流层是大气层内动态非常充分的部分，展现出强风、明亮的云彩和季节性的变化。
（3）上层大气层
天王星大气层的中层是平流层，此处的温度逐渐增加，从对流层顶的53K上升至增温层底的800～850K。平流层的加热，来自于甲烷和其他碳氢化合物吸收的太阳紫外线和红外线辐射，大气层的这种形式是甲烷的光解造成的。来自增温层的热，也许也值得注意。碳氢化合物相对来说，只是很窄的一层，高度在100～280千米，相对于气压是10～0.1微帕，温度在75～170K之间。含量最多的碳氢化合物是乙炔和乙烷，与甲烷和一氧化碳的混合比率相似。更重的碳氢化合物、二氧化碳和水蒸气，在混合的比率上还要低三个数量级。乙烷和乙炔在平流层内，温度和高度较低处与对流层顶，倾向于凝聚而形成数层阴霾的云层，那些也可能被视为出现在天王星上的云带。然而，碳氢化合物集中在天王星平流层阴霾之上的高度，比其他类木行星的高度要低，是值得注意的。
天王星大气层的最外层，是增温层或晕，有着均匀一致的温度，大约在800～850K。目前科学家仍不了解是何种热源支撑着如此的高温，虽然低效率的冷却作用和平流层上层的碳氢化合物也能贡献一些能源，但即使是太阳的远紫外线和超紫外线辐射，或是极光活动都不足以提供所需的能量。此外，氢分子和增温层与晕，拥有大比例的自由氢原子，它们的低分子量和高温，可以解释为何晕可以从行星扩展至50000千米，是天王星半径的两倍远。这个延伸的晕，是天王星的一个独特的特点。它的作用，包括阻挠环绕天王星的小颗粒，导致一些天王星环中尘粒的耗损。天王星的增温层和平流层的上层，对应着天王星的电离层。观测显示，电离层占据2000～10000千米的高度。天王星电离层的密度比土星或海王星高，这可能肇因于碳氢化合物在平流层低处的集中。电离层是承受太阳紫外线辐射的主要区域，它的密度也依据太阳活动而改变。极光活动，不如木星和土星的明显和重大。
7.若隐若现的行星环
天王星有一个暗淡的行星环系统，由直径约10米的黑暗粒状物组成。它是继土星环之后在太阳系内发现的第二个环系统。目前已知天王星环有13个圆环，其中最明亮的是ε环。天王星环被认为是相当年轻的，在圆环周围的空隙和不透明部分的区别，暗示它们不是与天王星同时形成的，环中的物质可能来自被高速撞击或潮汐力粉碎的卫星。
1977年3月10日，在詹姆斯·艾略特、爱德华·顿汉姆、道格拉斯·明克使用柯伊伯机载天文台观测时发现环。这个发现很意外，他们原本的计划，是观测天王星掩蔽的SAO158687，以研究天王星的大气层。然而，当他们分析观测资料时，他们发现在行星掩蔽的前后，这颗行星都曾经短暂的消失了五次。他们认为，必须有个环系统围绕着行星才能解释。“旅行者”2号在1986年飞掠过天王星时，直接看见了这些环。“旅行者”2号也发现了两圈新的光环，使环的数量增加到7圈。
2005年12月，哈勃太空望远镜侦测到一对早先未曾发现的蓝色圆环。最外围的一圈与天王星的距离，比早先知道的环远了2倍。因此新发现的环，被称为环系统的外环，这使天王星环的数量增加到13圈。哈柏同时也发现了两颗新的小卫星，其中Mab还与最外面的环共享轨道。在2006年4月，凯克天文台公布的新环影像中，外环的一圈是蓝色的，另一圈则是红色的。
关于外环颜色是蓝色的一个假说是，它由来自Mab的细小冰微粒组成，因此能散射足够多的蓝光。天王星的内环看起来是灰色的。
8.天王星的磁场
在“旅行者”2号抵达之前，天王星的磁层从未被测量过，因此还很自然的保持着神秘。在1986年之前，因为天王星的自转轴躺在黄道上，天文学家盼望能根据太阳风测量到天王星的磁场。
航海家的观测显示，天王星的磁场非常奇特，一是它不在行星的几何中心，二是它相对于自转轴倾斜59°。事实上，磁极从行星的中心偏离往南极，达到行星半径的1/3.这异常的几何关系，导致一个非常不对称的磁层，在南半球的表面，磁场的强度低于0.1高斯，而北半球的强度高达1.1高斯；表面的平均强度是0.23高斯。与地球的磁场比较，两极的磁场强度大约相等，并且“磁赤道”大致上与物理上的赤道平行，天王星的偶极矩是地球的50倍。海王星也有一个相似的偏移和倾斜的磁场，因此有人认为这是冰巨星的共同特点。
一种假说认为，不同于类地行星和气体巨星的磁场，是由核心内部引发的，冰巨星的磁场是由相对于表面下某一深度的运动引起的，例如水—氨的海洋。尽管有这样奇特的准线，天王星的磁层在其他方面与一般行星相似：在它的前方，位于23个天王星半径之处，有弓形震波，磁层顶在18个天王星半径处，充分发展完整的磁尾和辐射带。综上所论，天王星的磁层结构，不同于木星，却和土星比较像。天王星的磁尾在天王星的后方，延伸至太空中远达数百万千米，并且因为行星的自转被扭曲而斜向一侧，像是拔瓶塞的长螺旋杆。
天王星的磁层，包含带电粒子：质子和电子，还有少量的H2+离子，未曾侦测到重离子。许多的这些微粒可能来自大气层热的晕内。离子和电子的能量，分别可以高达4百万和1.2百万电子伏特。在磁层内侧的低能量（低于100电子伏特）离子的密度，受到天王星卫星强烈的影响，在卫星经过之后，磁层内会留下值得注意的空隙。微粒流量的强度，在10万年的天文学时间尺度下，足以造成卫星表面变暗或是太空风暴。这或许就是造成卫星表面和环均匀一致暗淡的原因。在天王星的两个磁极附近，有相对算是高度发达的极光，在磁极的附近，形成明亮的弧。但是，天王星的极光，对增温层的能量平衡，似乎是无足轻重的。
9.天王星的气候
据科学观测，与其他的气体巨星，甚至是与相似的海王星比较，天王星的大气层是非常平静的。当“旅行者”2号于1986年飞掠过天王星时，总共观察到了10个横跨整个行星的云带特征。有人提出解释，认为这种特征是天王星的内热低于其他巨大行星的结果。在天王星记录到的最低温度是49开，比海王星还要冷，使天王星成为太阳系温度最低的行星。
1986年，“旅行者”2号发现，可见的天王星南半球，可以细分成两个区域：明亮的极区和暗淡的赤道带状区。两个区的分界大约在纬度—45°的附近。一条跨越在—45°～—50°之间的狭窄带状物，是在行星表面能够看见的最亮的大特征，被称为南半球的“衣领”。极冠和衣领被认为是甲烷云密集的区域，位置在大气压力1.3～2帕的高度。很不幸的是，“旅行者”2号抵达时正是盛夏，观察不到北半球。不过，21世纪开始之际，北半球的“衣领”和极区，可以通过哈勃太空望远镜和凯克望远镜观测到。结果，天王星看起来是不对称的：靠近南极明亮，从南半球的“衣领”以北，都是一样的黑暗。天王星可以观察到的纬度结构，展现出许多条狭窄但色彩丰富的带状结构。
除了大规模的带状结构，“旅行者”2号观察到了10朵小块的亮云，多数都躺在“衣领”的北方数度。1986年看到的天王星，在其他的区域，都像是毫无生气的死寂行星。但是，20世纪90年代的观测显示出，亮云彩特征的数量有明显的增长，它们多数都出现在北半球，开始成为可以看见的区域。一般的解释认为，是明亮的云彩在行星黑暗的部分，比较容易被分辨出来，而在南半球则被明亮的“衣领”掩盖掉了。然而，两个半球的云彩是有区别的，北半球的云彩较小、较尖锐和较明亮。它们看上去都躺在较高的高度，直到2004年南极区使用2.2微米观测到这些都是事实。这是对甲烷吸收带敏感的波段，而北半球的云彩都是用这种光谱的波段来观测的。云彩的生命期有这极大的差异，一些小的只有4小时，而南半球至少有一个，从“旅行者”2号飞掠过后，仍一直存在着。最近的观察也发现，虽然天王星的气候较为平静，但天王星的云彩有许多特性与海王星相同。但有一种特殊的影像，海王星上有很普通的大暗斑，2006年之前从未在天王星上观测到。
追踪这些有特征的云彩，可以测量出天王星对流层上方的风如何在极区咆哮。在赤道的风是退行的，意味着它们吹的方向与自转的方向相反。风速随着远离赤道的距离而增加，大约在纬度±20°静止不动，这儿也是对流层温度最低之处。再往极区移动，风向也转成与行星自转的方向一致，风速则持续增加，在纬度±60°处达到最大值，然后下降至极区减弱为0.在纬度-40°附近，事实上，在天王星北半球的风速是随着纬度一度一度的在缓缓递减，特别是在中纬度的±20°～40°的纬度上。目前还无法认定从1986年迄今，天王星的风速是否发生了改变，而且对较慢的子午圈风依然是一无所知。
10.天王星的卫星
天王星的卫星，目前已发现的有15颗。其中天卫一到天卫五，是在地面观测中发现的，另外10颗卫星是1986年“旅行者”2号宇宙飞船在探测天王星时发现的。天卫一到天卫五这5颗卫星，几乎都在接近天王星的赤道面上，绕天王星转动，它们都是逆行卫星。距离天王星最近的是天卫五，然后向外依次是天卫一、天卫二、天卫三和天卫四。其中，天卫三和天卫四较大，其余三颗都比较小，最小的天卫五直径为484千米。其余10颗卫星则更小，直径多在20～100千米之间，最大的一颗直径也只有160千米，被称为“1985UI”。
11.天王星的极光
天王星上，也有极光现象。1982年，一颗地球轨道卫星发现，天王星有一道明亮的紫外线辉光。当时有人提出，这个辉光可能不是受激电子，而是太阳紫外光激发的气辉光。后来，“旅行者”2号宇宙飞船在抵近天王星观测时，发现这个辉光是由紫外光和电子两者所引起的，被称为电辉光。木星和土星也有这种现象，但其过程不同。天王星虽也有极光，但从地球上观测，天王星的紫外辉光中约70%是电辉光，只有30%是气辉光。
12.天王星的光环
天王星也有光环，与土星光环一样，由许多冰块组成，但又薄、又窄、又暗，人的肉眼看不到，用天文望远镜也无法直接观测到。在发现天王星后的100年里，从未有人知道天王星光环的存在。直至1977年，天文学家利用天王星掩食恒星的机会，利用被掩食恒星的光度变化，才发现了天王星光环的存在。它的光环距离天王星约1.8万千米，位于一条7000千米宽的环带上。至今为止，已发现的天王星光环共有11条。
13.“旅行者”2号航向海王星时拍摄的天王星
1986年，NASA的“旅行者”2号拜访了天王星。这次的拜访是唯一的一次近距离的探测，并且目前也还没有新的探测计划。“旅行者”2号在1977年发射，在继续前往海王星的旅程之前，于1986年1月24日最接近天王星，距离近达8.15万千米。“旅行者”2号研究了天王星大气层的结构和化学组成，发现了10颗新卫星，它研究了天王星因为自转轴倾斜97.77°所造成的独特气候，并观察了天王星的环系统。它也研究了天王星的磁场：不规则的结构、倾斜的磁轴、和如同拔塞螺丝般扭曲并斜向一侧的磁尾。它对最大的五颗卫星，做了首度的详细调查，并研究当时已知的九圈光环，也新发现了两道光环。
