Tuy không có một bề mặt rắn cụ thể trong Sao Thiên Vương, phần bao phủ chứa các khí bên ngoài mà có thể quan trắc từ xa được các nhà khoa học gọi là khí quyển.[9] Khả năng quan trắc từ xa có thể mở rộng sâu xuống dưới 300 km bên dưới mức 1 bar (100 kPa), ở độ sâu có áp suất khoảng 100 bar (10 MPa) và nhiệt độ bằng 320 K.[61] Khí quyển Sao Thiên Vương có một vành nhật hoa mờ nhạt mở rộng ra bên ngoài tới 2 lần bán kính hành tinh tính từ mặt có mức áp suất 1 bar.[62] Các nhà thiên văn chia khí quyển hành tinh này thành 3 tầng: tầng đối lưu, có cao độ từ −300 đến 50 km và áp suất từ 100 giảm đến 0,1 bar; (10 MPa xuống 10 kPa), tầng bình lưu, có cao độ từ 50 đến 4000 km và áp suất trong 0,1 - 10−10 bar (10 kPa giảm đến 10 µPa), và tầng nhiệt/vành nhật hoa mở rộng từ 4.000 km đến khoảng cách 50.000 km tính từ bề mặt hành tinh.[9] Hành tinh này không có tầng trung lưu.

Thành phần

Thành phần trong khí quyển Sao Thiên Vương khác so với những lớp còn lại của hành tinh này, chứa chủ yếu phân tử hiđrô và heli.[9] Tỷ lệ mol heli, số nguyên tử heli trên phân tử khí, bằng 0,15 ± 0,03[12] bên trên tầng đối lưu, hay tương đương với tỉ số khối lượng 0,26 ± 0,05.[9][59] Giá trị này rất gần với tỉ số khối lượng của heli trong lúc hình thành Hệ Mặt Trời với tỉ số 0,275 ± 0,01,[63] kết quả này cho thấy heli vẫn chưa rơi xuống dưới hành tinh giống như ở những hành tinh khí khổng lồ khác.[9] Hợp chất nhiều thứ ba có trong khí quyển Sao Thiên Vương là mêtan (CH4).[9] Mêtan có dải vạch hấp thụ nổi bật trong quang phổ ánh sáng khả kiến và gần hồng ngoại (IR) và là nguyên nhân chính hành tinh này hiện lên với màu xanh berin hay xanh lơ.[9] Các phân tử mêtan chiếm khoảng 2,3% khí quyển theo tỷ lệ mol tập trung tại các đám mây mêtan ở áp suất 1,3 bar (130 kPa); lượng này cao hơn lượng cacbon trong Mặt Trời từ 20 đến 30 lần.[9][11][64] Tỉ số trộn[lower-alpha 7] của mêtan là thấp trong tầng thượng quyển bởi ở đây có nhiệt độ rất thấp, làm hạ thấp mức bão hòa và khiến nhiều phân tử mêtan bị đóng băng.[65] Các nhà khoa học biết rất ít về các hợp chất ít bay hơi như amoniac, nước và hiđrô sunfit ở tầng thấp khí quyển. Có lẽ tỷ lệ của chúng cao hơn so với giá trị của những phân tử này trong Mặt Trời.[9][66] Cùng với mêtan, có một ít lượng các loại hiđrôcacbon đã được phát hiện trong tầng bình lưu của Sao Thiên Vương, mà người ta nghĩ rằng chúng là sản phẩm của chuỗi phản ứng trong đó mêtan bị quang ly do bức xạ tử ngoại (UV) từ Mặt Trời.[67] Các hiđrôcacbon gồm êtan (C2H6), axetylen (C2H2), metyl axetylen (CH3C2H), và diaxetylen (C2HC2H).[65][68][69] Thông qua quang phổ các nhà khoa học cũng phát hiện sự có mặt của hơi nước, CO và CO2 ở tầng thượng quyển, mà những hợp chất này chỉ có nguồn gốc từ bên ngoài như bụi hoặc sao chổi rơi vào hành tinh.[68][69][70]

Khoảng lặng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng thấp nhất và dày đặc nhất của khí quyển, nó được đặc trưng bởi sự giảm nhiệt độ theo độ cao.[9] Nhiệt độ giảm từ 320 K tại mức cao độ −300 km xuống còn 53 K tại cao độ 50 km của tầng đối lưu.[61][64] Nhiệt độ trong vùng lạnh nhất cao hơn của tầng đối lưu (khoảng lặng đối lưu, tropopause) biến đổi trong phạm vi 49 đến 57 K phụ thuộc vào từng vĩ độ hành tinh.[9][58] Tại vùng lặng đối lưu phát ra lượng lớn bức xạ nhiệt bước sóng hồng ngoại xa (trong khoảng 15 µm đến 1 mm), và các nhà khoa học đo được nhiệt độ hữu hiệu của vùng này bằng 59,1 ± 0,3 K.[58][59]

Tầng đối lưu có thể gồm một cấu trúc phức tạp các đám mây; các đám mây nước nằm trong vùng có mức áp suất 50 đến 100 bar (5 đến 10 MPa), đám mây amonium hiđrôsunfit nằm ở mức 20 đến 40 bar (2 đến 4 MPa), các đám mây amoniac hoặc hiđrôsunfit nằm trong khoảng 3 tới 10 bar (0,3 đến 1 MPa) và cuối cùng là những đám mây mà các nhà khoa học nhìn trực tiếp được nằm ở mức áp suất 1 tới 2 bar (0,1 tới 0,2 MPa).[9][11][61][71] Tầng đối lưu là một phần hoạt động mạnh của bầu khí quyển, nơi đây tồn tại gió mạnh, những đám mây sáng màu và sự thay đổi theo mùa.[15]

Tầng thượng quyển

Tầng giữa của khí quyển Sao Thiên Vương là tầng bình lưu, với nhiệt độ nói chung tăng theo độ cao từ 53 K bắt đầu tại khoảng lặng đối lưu đến 800 hoặc 850 K tại nơi tiếp giáp với tầng nhiệt.[62] Nhiệt độ của tầng bình lưu do các phân tử mêtan và hiđrôcacbon hấp thụ bức xạ UV và IR đến từ Mặt Trời,[72] trong đó các hiđrôcacbon hình thành từ quá trình quang ly của mêtan dưới tác dụng của ánh sáng.[67] Năng lượng nhiệt cũng được dẫn từ tầng nhiệt nóng bên trên.[72] Các hiđrôcacbon nằm ở phạm vi cao độ tương đối hẹp giữa 100 và 300 km tương ứng với áp suất 10 giảm tới 0,1 mBar (1000 xuống 10 kPa) và nhiệt độ trong khoảng 75 tới 170 K.[65][68] Những hiđrôcacbon phổ biến nhất là mêtan, axetylen và êtan với tỉ số trộn bằng xấp xỉ 10−7 so với hiđrô. Tỉ số trộn của cacbon mônôxít là cũng giống như thế ở những độ cao này.[65][68][70] Những hiđrôcacbon nặng hơn và cacbon điôxít có tỉ số trộn gấp ba bậc độ lớn so với hiđrôcacbon nhẹ hơn.[68] Tỉ số của nước bằng 7×10-9.[69] Êtan và axetylen có xu hướng ngưng tụ lại trong những vùng lạnh hơn của tầng bình lưu và ở khoảng lặng đối lưu (với mức áp suất dưới 10 mBar) tạo nên những đám mây mờ mịt,[67] đây chính là một phần trong những dải mây xuất hiện trên hình ảnh của Sao Thiên Vương. Độ tập trung của các hiđrôcacbon trong tầng bình lưu bên trên lớp mây mờ mịt nhỏ hơn so với độ tập trung của các hợp chất này trong tầng bình lưu của những hành tinh khí khổng lồ khác.[65][73]

Tầng ngoài cùng của khí quyển Sao Thiên Vương là tầng nhiệt và vành nhật hoa (corona) của hành tinh, chúng có nhiệt độ đồng đều xung quanh 800 đến 850 K.[9][73] Các nhà thiên văn vẫn chưa hiểu nguồn nhiệt năng nào duy trì giá trị nhiệt độ cao như vậy, hoặc là từ nguồn bức xạ nhiệt tia tử ngoại Mặt Trời hoặc là do hoạt động của cực quang cung cấp nguồn năng lượng cần thiết cho tầng ngoài cùng khí quyển. Ảnh hưởng của sự lạnh đi cũng nhỏ do thiếu hụt những hiđrôcacbon trong tầng bình lưu ở mức áp suất trên 0,1 mBar cũng có thể là yếu tố làm cho nhiệt độ của tầng nhiệt cao như thế.[62][73] Ngoài phân tử hiđrô, tầng nhiệt và corona còn chứa rất nhiều nguyên tử hiđrô tự do. Do chúng có khối lượng nhỏ kết hợp với nhiệt độ cao tại tầng này có thể giải thích tại sao vành nhật hoa hành tinh lại mở rộng xa đến 50.000 km hay gấp hai lần bán kính Sao Thiên Vương.[62][73] Vành nhật hoa (corona) mở rộng là một đặc điểm chỉ có ở hành tinh này.[73] Ảnh hưởng của vành này bao gồm nó kéo những hạt nhỏ quay quanh Sao Thiên Vương, dẫn đến suy giảm dần những hạt bụi trong vành đai hành tinh.[62] Tầng nhiệt Sao Thiên Vương, cùng với phần phía trên của tầng bình lưu, tương ứng chính là tầng ion của hành tinh.[64] Quan trắc cho thấy tầng ion nằm ở độ cao từ 2.000 đến 10.000 km.[64] Tầng ion của Thiên Vương Tinh có mật độ dày đặc hơn so với của Sao Thổ và Sao Hải Vương, mà những tầng này xuất hiện từ sự bay lên của những hiđrôcacbon phân bố thưa thớt trong tầng bình lưu của Sao Thổ và Sao Hải Vương.[73][74] Tầng ion của Sao Thiên Vương được duy trì chủ yếu bởi bức xạ UV và mật độ của tầng phụ thuộc vào cường độ hoạt động của gió Mặt Trời.[75] Hoạt động cực quang trên hành tinh là không đáng kể so với của Sao Mộc và Sao Thổ.[73][76]

• Khí quyển Sao Thiên Vương
• Biểu đồ nhiệt độ của tầng đối lưu và phía thấp tầng bình lưu của Sao Thiên Vương. Các tầng mây và khói mờ cũng thể hiện ở trong biểu đồ.
• Tốc độ gió phân bố theo vĩ độ trên Sao Thiên Vương. Hai dải gạch sọc là biên giới của cực nam và cực bắc trong các mùa của hành tinh. Cung màu đỏ là cung đối xứng khớp nhất với dữ liệu quan trắc.