해왕성의 대기는 천왕성의 대기와 매우 비슷하다. 80% 정도가 수소로 구성되어 있고, 약 19%는 헬륨, 나머지는 에탄, 메탄 등으로 이루어져 있다. 대기의 적색광 흡수와 청색 반사로 인해 해왕성은 전체적으로 청색을 띤다. 대기 구성은 유사하지만,해왕성의 대기 흐름은 천왕성에 비해상대적으로 활발할 것이다. 이는 천왕성에서 볼 수 없는 대기의 회오리를 해왕성에서는 볼 수 있기 때문이다.이 회오리는 ‘대암점(또는 대흑점, Great Dark Spot)'이라 불린다.

해왕성의 온도 또한 천왕성과 비슷하다. 평균 온도는 -214°C로 태양에 받는 열에 비해 방출하는 열이 많다. 이는 곧 목성과 토성처럼 열원이 존재한다는 것으로 추측할 수 있으며, 마찬가지로 중력 에너지의 효과로 볼 수 있다.

해왕성의 크기는 약 24,766km이며, 질량은 약 1.02x1026kg, 밀도는 1,638kg/m³ 정도로 천왕성과 매우 비슷하다. 따라서 내부구조 또한 비슷하다고 추측된다. 즉 목성과 토성의 내부에 존재하는 액체금속수소는 상대적으로 내부 압력이 작은 해왕성에는 존재하지 않을것이고, 대기에 있는 메탄과 암모니아의 얼음이 이온화되어 있을것으로 추측하고 있다.목성에 비하여 낮은 압력과 비슷한 정도의 밀도, 낮은 온도 등을 감안할 때 해왕성의 내부 또한 천왕성과 비슷하게 수소와 헬륨 함량이 적고 암석과 얼음이 존재할 것이다.

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