Sự biến đổi trong thời gian "ngắn" của mùa trên Sao Hải Vương. Ảnh của Hubble

Một trong những sự khác nhau giữa Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương đó là mức độ của các hiện tượng khí hậu trên hai hành tinh. Khi tàu Voyager 2 bay qua Sao Thiên Vương năm 1986, qua bước sóng khả kiến hành tinh này hiện lên hầu như đồng màu và tĩnh lặng. Ngược lại Sao Hải Vương lại có những hoạt động mạnh trong tầng khí quyển khi Voyager 2 bay qua từ năm 1989.[71]

Vết Tối Lớn (trên), "Scooter" (đám mây trắng ở phía nam Vết Tối Lớn),[72] và Vết Tối Nhỏ (dưới).

Thời tiết trên Sao Hải Vương được đặc trưng bởi hệ thống những cơn bão cực mạnh, với tốc độ gió có khi lên tới gần 600 m/s— gần đạt tới tốc độ siêu thanh đối với dòng khí.[16] Khi theo dõi chuyển động của những đám mây vĩnh cửu, tốc độ gió thay đổi từ 20 m/s theo hướng đông sang 325 m/s theo hướng tây.[73] Ở những đám mây trên cao, tốc độ gió biến đổi từ 400 m/s dọc xích đạo và còn 250 m/s tại hai cực.[51] Hầu hết gió trên Sao Hải Vương thổi theo hướng ngược với chiều quay của hành tinh.[74] Và miền gió thổi theo hướng cùng chiều với chiều tự quay hành tinh ở những vĩ độ cao, ngược lại gió thổi theo hướng nghịch chiều quay tại vĩ độ thấp và xích đạo. Sự khác nhau trong hướng gió thổi được cho là do hiệu ứng bề mặt và không phải do cơ chế hoạt động khí quyển ở phía dưới sâu.[12] Tại vĩ độ 70° Nam, tồn tại một luồng gió thổi với tốc độ 300 m/s.[12]

Năm 2007, phía trên tầng đối lưu của cực Nam Sao Hải Vương được phát hiện có nhiệt độ cao hơn 10 °C so với phần còn lại của Sao Hải Vương, với nhiệt độ trung bình xấp xỉ −200 °C (70 K).[75] Sự chênh lệch nhiệt độ là đủ để khí mêtan nằm ở vùng nhiệt độ lạnh trong thượng quyển Sao Hải Vương, có khả năng rò ra ngoài không gian vũ trụ thông qua cực nam. "Điểm nóng tương đối" này là do ảnh hưởng độ nghiêng trục quay của Sao Hải Vương, làm cho vùng cực nam hành tinh phơi dưới ánh sáng Mặt Trời trong một phần tư "năm Sao Hải Vương", hay gần 40 năm Trái Đất. Khi Sao Hải Vương di chuyển chậm dần về phía đối diện, vùng cực nam của nó sẽ bị tối đi và vùng cực bắc được chiếu sáng, và dần dần làm cho mêtan thoát ra khỏi hành tinh thông qua vùng cực bắc.[76]

Do sự thay đổi theo mùa, nên những dải mây ở bán cầu nam hành tinh này tăng dần theo kích cỡ và suất phản chiếu. Hiện tượng này lần đầu tiên được ghi nhận lần đầu tiên vào năm 1980 và được dự báo sẽ kéo dài đến năm 2020. Chu kỳ quỹ đạo lớn của Sao Hải Vương cũng làm cho các mùa trên hành tinh này diễn ra trong bốn mươi năm.[77]

Bão trên Sao Hải Vương

Vết Tối Lớn, phía nam bán cầu ở phía trên bức ảnh (ảnh đã bị quay ngược), chụp bởi Voyager 2

Năm 1989, Vết Tối Lớn, một cơn bão xoáy nghịch với diện tích 13000×6600 km[71] được tàu Voyager 2 phát hiện. Cơn bão này có dạng giống với Vết Đỏ Lớn của Sao Mộc. 5 năm sau, ngày 2 tháng 11 năm 1994, kính thiên văn không gian Hubble không nhìn thấy Vết Tối Lớn trên khí quyển hành tinh. Thay vào đó, một cơn bão tương tự như Vết Tối Lớn xuất hiện ở bán cầu bắc hành tinh.[78]

"Scooter", tên gọi của một cơn bão khác, là một nhóm các đám mây trắng ở phía nam của Vết Tối Lớn. Nó được đặt tên như vậy là do khi lần đầu tiên được phát hiện ra vài tháng trước khi Voyager 2 bay quan hành tinh năm 1989, người ta nhận thấy nó di chuyển nhanh hơn Vết Tối Lớn.[79] Những bức ảnh chụp sau đó cho thấy còn có những đám mây di chuyển nhanh hơn nữa. Vết Tối Nhỏ là một cơn bão xoáy thuận ở bán cầu nam, cơn bão mạnh thứ hai được quan sát trong lần bay qua năm 1989. Ban đầu cơn bão này hoàn toàn tối màu, nhưng khi Voyager 2 tiếp cận hành tinh, nó đã phát hiện ra cơn bão hình thành một trung tâm sáng và có thể nhìn thấy trong đa số những bức ảnh có độ phân giải cao.[80]

Những vết tối xuất hiện trong tầng đối lưu ở cao độ thấp hơn so với các đám mây sáng trong khí quyển Sao Hải Vương,[81] do vậy chúng hiện lên như là những lỗ tối của tầng mây cao hơn. Chúng là những đặc điểm ổn định có thể tồn tại trong vài tháng, và có cấu trúc xoáy cuộn khí.[52] Thường đi kèm với những vết tối là những đám mây mêtan vĩnh cửu, sáng hơn hình thành xung quanh tầng đối lưu.[82] Sự luôn xuất hiện những đám mây đồng hành chỉ ra rằng những vết tối trước đó có thể tiếp tục tồn tại như là một xoáy thuận khí quyển ngay cả khi chúng không còn hiện lên là một đặc điểm tối nữa. Những vết tối có thể tiêu tan khi chúng tiến quá gần đến vùng xích đạo hoặc thông qua một cơ chế bí ẩn chưa được khám phá.[83]

Nội nhiệt

Bốn bức ảnh chụp cách nhau vài giờ từ kính thiên văn Hubble của NASA/ESA qua camera WFC 3.[84]

Sao Hải Vương có sự hoạt động trong khí quyển mạnh hơn so với trên Sao Thiên Vương. Nguyên nhân được cho là nội nhiệt trong hành tinh cao hơn so với Sao Thiên Vương. Mặc dù Sao Hải Vương nằm xa Mặt Trời hơn so với Sao Thiên Vương, nó chỉ hấp thụ được 40% lượng ánh sáng Mặt Trời,[12] nhưng nhiệt độ bề mặt trên hai hành tinh lại xấp xỉ bằng nhau.[85] Vùng bên trên tầng đối lưu của Sao Hải Vương có nhiệt độ thấp −221,4 °C (51,7 K). Ở độ sâu nơi áp suất khí quyển bằng 1 ba (100 kPa), nhiệt độ tại đây bằng −201,15 °C (72,00 K).[86] Sâu dưới bên trong tầng khí, nhiệt độ tăng dần theo độ sâu. Cũng giống như Sao Thiên Vương, nguồn gốc sinh ra nhiệt này chưa được làm rõ. Tuy nhiên giữa hai hành tinh có sự khác biệt lớn: Sao Thiên Vương chỉ phát ra 1,1 lần năng lượng nó nhận được từ bức xạ của Mặt Trời;[87] trong khi Sao Hải Vương phát ra năng lượng cao gấp 2,61 lần lượng năng lượng nó nhận từ Mặt Trời.[88] Nó là hành tinh xa Mặt Trời nhất, do vậy năng lượng tạo ra những cơn gió mạnh nhất trong Hệ Mặt Trời trên khí quyển hành tinh phải đến từ bên trong hành tinh này. Có một số cơ chế giải thích được đề xuất, bao gồm quá trình tiêu tán nhiệt từ lõi hành tinh,[85] sự chuyển đổi của mêtan dưới áp suất cao thành hiđrô, kim cương và những hiđrôcacbon mạch dài hơn (hiđrô nhẹ nhất có thể bay lên, trong khi kim cương thì chìm xuống, giải phóng thế năng hấp dẫn thành nhiệt thông qua định luật bảo toàn năng lượng),[85][89] và quá trình đối lưu trong tầng thấp khí quyển làm cho sóng trọng lực phá vỡ tầng đối lưu.[90][91]