A atmosfera de Netuno é subdividida em duas regiões principais: a troposfera inferior, onde a temperatura diminui com a altitude, e a estratosfera, onde a temperatura aumenta com a altitude. O limite entre as duas, a tropopausa, encontra-se a uma pressão de cerca de 0,1 bar (10 kPa).[6] A estratosfera, então, dá caminho à termosfera, que se encontra a uma pressão inferior a 10−5–10−4 microbares (1 a 10 Pa). A termosfera transita gradualmente para a exosfera.
Modelos sugerem que a troposfera de Netuno é coberta por nuvens de variadas composições, dependendo da altitude. O nível superior de nuvens encontra-se a pressões abaixo de um bar, onde a temperatura é favorável à condensação do metano. Com pressões entre um e cinco bares (100 e 500 kPa), acredita-se que ocorre a formação de amônia e sulfeto de hidrogênio. Acima de cinco bares de pressão, as nuvens podem consistir em amônia, sulfeto de amônio, sulfeto de hidrogênio e água. Nuvens mais profundas de água congelada devem ser encontradas a pressões de cerca de 50 bares (5 MPa), onde a temperatura chega a 0 °C. Mais abaixo, podem-se encontrar nuvens de amônia e sulfeto de hidrogênio.
O espectro de Netuno sugere que a sua baixa estratosfera seja nebulosa devido à condensação de produtos da fotólise ultravioleta do metano, tais como etano e acetileno; a estratosfera também contém traços de monóxido de carbono e cianeto de hidrogênio. A estratosfera de Netuno é mais quente que a de Urano devido à elevada concentração de hidrocarbonetos.
Por razões que permanecem obscuras, a termosfera do planeta está a uma temperatura anormalmente alta de cerca de 750 K.O planeta está muito distante do Sol para que esse calor seja gerado por radiação ultravioleta; um candidato para explicar o mecanismo de aquecimento é a interação da atmosfera com íonsPB ou iõesPT no campo magnético do planeta. Outros candidatos são ondas de gravidade do interior do planeta que se dissipam na atmosfera. A termosfera contém traços de dióxido de carbono e água, que podem ter sido depositados de fontes externas como meteoritos e poeira.
Uma vez que seu eixo de rotação apresenta uma inclinação de cerca de 29o em relação ao plano orbital, o planeta apresenta estações análogas às da Terra.
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