Chu kỳ quỹ đạo của Sao Thiên Vương bằng 84 năm Trái Đất. Khoảng cách trung bình từ hành tinh đến Mặt Trời xấp xỉ 3 tỷ km (khoảng 20 AU). Cường độ ánh sáng Mặt Trời chiếu lên Sao Thiên Vương bằng 1/400 so với trên Trái Đất.[40] Các tham số quỹ đạo của hành tinh lần đầu tiên được tính ra bởi Pierre-Simon Laplace năm 1783.[41] Theo thời gian, xuất hiện sự sai lệch trong tính toán lý thuyết về quỹ đạo và quan sát thực tế, và vào năm 1841, John Couch Adams lần đầu tiên đề xuất sự sai lệch trong tính toán có thể do lực hút hấp dẫn của một hành tinh chưa được khám phá. Năm 1845, nhà thiên văn học Urbain Le Verrier tự tính ra quỹ đạo của Sao Thiên Vương với giả sử còn có một hành tinh ở bên ngoài Thiên Vương Tinh. Ngày 23 tháng 9 năm 1846, Johann Gottfried Galle thông báo đã quan sát thấy một hành tinh mới, sau này được đặt tên là Sao Hải Vương, ở vị trí gần với vị trí tiên đoán của Le Verrier.[42]

Chu kỳ tự quay của phần cấu trúc bên trong Sao Hải Vương bằng 17 giờ, 14 phút, theo chiều kim đồng hồ (nghịch hành). Giống như trên mọi hành tinh khí khổng lồ, bên trên khí quyển hành tinh có những cơn gió rất mạnh thổi theo hướng tự quay của nó. Ở một số vĩ độ, như khoảng hai phần ba tính từ xích đạo đến cực nam, các đặc điểm nhìn thấy trên khí quyển chuyển động nhanh hơn, với chu kỳ quay ít hơn 14 giờ.[43]

Độ nghiêng trục quay

Sao Thiên Vương có độ nghiêng trục quay bằng 97,77 độ, cho nên trục quay của nó gần song song với mặt phẳng quỹ đạo trong Hệ Mặt Trời. Nguyên nhân này làm cho sự thay đổi theo mùa hoàn toàn khác hẳn so với những hành tinh còn lại. Các hành tinh khác có thể hình dung như một con quay quay trên mặt phẳng trong Hệ Mặt Trời, trong khi Sao Thiên Vương có thể hình dung như là một bánh xe lăn trên quỹ đạo của nó. Gần khoảng thời gian của điểm chí Sao Thiên Vương, một cực của hành tinh hướng về phía Mặt Trời trong khi cực kia hướng theo hướng ngược lại. Chỉ có một vùng rất hẹp quanh xích đạo của nó là trải qua sự biến đổi chu kỳ ngày - đêm rất nhanh, nhưng với Mặt Trời ở bên dưới rất thấp chân trời như đối với các vùng cực trên Trái Đất. Ở nửa còn lại của quỹ đạo, hướng của hai cực thay đổi cho nhau. Mỗi cực được Mặt Trời chiếu sáng liên tục trong 42 năm, sau đó là 42 năm liên tục trong bóng tối.[44] Gần thời gian của điểm phân, Mặt Trời chiếu thẳng vào vùng xích đạo của Sao Thiên Vương và nó có chu kỳ ngày đêm giống như ở trên các hành tinh khác.[45], Sao Thiên Vương đến điểm phân lần gần đây nhất là ngày 7 tháng 12 năm 2007.[46][47]

Một hệ quả của sự nghiêng trục quay của hành tinh này là, trung bình trong một năm (84 năm Trái Đất), hai vùng cực nhận được nhiều năng lượng từ Mặt Trời hơn vùng xích đạo. Tuy nhiên, nhiệt độ trung bình của vùng xích đạo cao hơn so với hai vùng cực, do vùng xích đạo liên tục nhận bức xạ Mặt Trời, trong khi vùng cực có tới 42 năm trong bóng tối. Nhưng các nhà khoa học vẫn chưa biết cơ chế thực sự ẩn dưới điều này. Họ cũng chưa biết tại sao trục tự quay của Sao Thiên Vương lại nghiêng kỳ lạ như vậy, nhưng có một giả thiết chung đó là trong giai đoạn hình thành Hệ Mặt Trời, một tiền hành tinh kích cỡ Trái Đất đã va chạm với Sao Thiên Vương, làm lệch trục quay của hành tinh.[48] Khi con tàu Voyager 2 bay qua Sao Thiên Vương năm 1986, cực nam của hành tinh đang hướng trực tiếp về phía Mặt Trời. Các nhà thiên văn học đã định nghĩa cực này là "cực nam" của hành tinh dựa theo định nghĩa trong một hội nghị của Hiệp hội Thiên văn Quốc tế, rằng cực bắc của một hành tinh hay vệ tinh tự nhiên sẽ là cực chỉ về phía mặt phẳng bất biến của Hệ Mặt Trời (mặt phẳng đi qua khối tâm của Hệ Mặt Trời và vuông góc với vectơ mô men động lượng), bất kể hướng tự quay của hành tinh hay vệ tinh là như thế nào.[49][50] Một cách thuận tiện khác đôi khi sử dụng để định nghĩa cực bắc hay cực nam của vật thể đó là áp dụng quy tắc bàn tay phải trong liên hệ với hướng tự quay của vật thể/hành tinh.[51] Theo cách sử dụng quy tắc này thì "cực bắc" của Sao Thiên Vương đang được chiếu sáng vào năm 1986.

Quan sát

Từ năm 1995 đến 2006, cấp sao biểu kiến của Sao Thiên Vương thay đổi trong khoảng +5,6 và +5,9, và nằm trong giới hạn cho phép quan sát bằng mắt thường với cấp sao +6,5.[10] Đường kính góc của nó có giá trị trong khoảng 3,4 và 3,7 giây cung, so với 16 đến 20 giây cung của Sao Thổ và 32 đến 45 giây cung của Sao Mộc.[10] Tại vị trí xung đối, Sao Thiên Vương có thể nhìn bằng mắt thường trong trời tối, và trở thành mục tiêu quan sát ngay cả ở trong đô thị với kính nhòm.[52] Đối với những kính thiên văn nghiệp dư lớn hơn với đường kính của vật kính từ 15 đến 23 cm, hành tinh hiện lên thành một đĩa nhạt màu lục lam với rìa biên tối (limb darkening) rõ ràng. Với kính thiên văn lớn hơn 25 cm hoặc rộng lớn, chúng ta có thể quan sát thấy các đám mây, một số vệ tinh lớn như Titania và Oberon.[53]