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天王星自转一周为15.5小时，密度只有1.19克/立方厘米，表面重力加速度比地球略大，物体要以21.22公里/秒的速度才能脱离天王星，由于逃逸速度大，气体很难得到这样大的速度而跑掉，因此，天王星能把大量的大气束缚住，使其表面有厚厚的大气。
从地面探测和空间探测得知，天王星表面大气层的主要成分氢和氦。其中很大部分是氢，氦的含量为10%至15%，此外，含有少量的其他气体。天王星具有温度较高的同温层和一个娇冷的对流层。由于天王星离太阳很远，它接受的太阳能只有地球的千分之二，表面温度只有-211℃。在高度为6000公里的天王星大气，温度为750℃。仅靠太阳光是不能达到如此高的，所以，有可能在天王星上存在其他能源。
在行星世界里，天王星有独一无二的特征，即它的赤道面与它的轨道面倾角为97度55分。这就是说，天王星的自转轴与它的轨道面交角很小，几乎是躺倒在它的轨道上，可以想象，以这样的姿态运动，就使天王星上的四季和昼夜现象复杂化了。首先，天王星的南北两极基本上在其轨道面上，赤道两侧与轨道面基本垂直。当它的南极朝向太阳，南半球为夏季，南极点几乎受到太阳光直射，南半球见到的太阳随纬度的减低太阳的地平高度也降低，而且，在天王星自传过程中，南半球见到的太阳是不落的，也就是南半球基本都是白天。相反，此时在它的北半球正是冬季，而且太阳总不升出地平线，过着漫长的黑夜。天王星绕太阳运行的圈子大而速度慢，绕太阳公转的轨道半径长约19.27天文单位，轨道的偏心率为0.046，绕太阳运动的周期约84个地球年。可见，对天王星两极来说，基本上相当于地球上42年的白天和42年的黑夜。
