L’atmosphère d'Uranus, comme celle de Neptune, est différente de celle des deux autres géantes gazeuses, Jupiter et Saturne. Bien que principalement composée comme elles d'hydrogène et d'hélium, elle possède une plus grande proportion de gaz volatils tels que l'eau, l'ammoniac et le méthane, et elle ne posséderait pas de manteau d'hydrogène métallique ou d'enveloppe en dessous de sa haute atmosphère. À la place se trouverait une région consistant en un océan composé d'ammoniac, d'eau et de méthane, dont la transition est graduelle sans limite claire avec la couche dominée par de l'hydrogène et de l'hélium. À cause de ces différences, certains astronomes regroupent Uranus et Neptune dans leur propre catégorie, celle des géantes glacées.
Bien qu'il n'y ait pas de surface clairement définie sur Uranus, la partie la plus extérieure de l'enveloppe gazeuse d'Uranus est considérée comme son atmosphère. Les effets de l'atmosphère sont ressentis jusqu'à environ en dessous du niveau de 1 bar, où la pression est de 100 bar et la température de 320 K.. La couronne ténue de l'atmosphère s'étend jusqu'à deux fois le rayon de la planète à partir de la surface nominale située au niveau où la pression est de 1 bar. L'atmosphère uranienne peut être divisée en trois couches : la troposphère, d'une altitude de −300 à et d'une pression de ; la stratosphère, d'une altitude de à et d'une pression allant de ; et la thermosphère/couronne, commençant vers d'altitude et allant jusqu'à près de de la surface.. Il n'y a pas de mésosphère.
Structure Troposphère
La troposphère est la partie la plus basse et la plus dense de l'atmosphère et est caractérisée par une diminution de la température avec l'altitude. La température tombe de à la base de la troposphère située à à près de à . Les températures dans la haute région de la troposphère (la tropopause) varient entre suivant la latitude, les plus basses étant atteintes à 25° de latitude sud.. La troposphère détient presque toute la masse de l'atmosphère, et la tropopause est la cause de la majorité des émissions infrarouges, déterminant donc sa température effective de .
La troposphère posséderait une structure nuageuse complexe ; des nuages d'eau sont supposés exister dans les régions où la pression est de , des nuages d'hydrosulfure d'ammonium existeraient entre , des nuages d'ammoniac ou de sulfure d'hydrogène se trouveraient entre et finalement des nuages de méthane existeraient à des pressions allant de . Bien que Voyager 2 ait directement constaté l'existence de nuages de méthane., toutes les autres couches de nuages sont spéculatives. La troposphère est la région la plus dynamique de l'atmosphère, avec de forts vents, des convections, des nuages et des variations saisonnières. vignette|centre|redresse=2|Profil des températures de l'atmosphère (troposphère et basse stratosphère) d'Uranus. Les couches de nuages sont indiquées.
Stratosphère La couche intermédiaire de l'atmosphère uranienne est la stratosphère, où la température augmente avec l'altitude de à la tropopause jusqu'à environ à la base de la thermosphère.. Le réchauffement de la stratosphère est causé par l'absorption des radiations UV et IR solaires par le méthane et les autres hydrocarbures, qui se forment dans cette partie de l'atmosphère en conséquence de la photolyse du méthane.. Le réchauffement provenant de la thermosphère doit lui aussi être significatif. Les hydrocarbures occupent une fine couche à une altitude comprise entre 100 et soit à une pression allant de 10 à et des températures allant de . Les hydrocarbures les plus importants sont l'acétylène et l'éthane.
L'éthane et l'acétylène tendent à se condenser dans la partie la plus basse (et la plus froide) de la stratosphère, à la tropopause, en formant une couche brumeuse, qui peut être en partie responsable de l'apparence « douce » de l'atmosphère d'Uranus. La concentration d'hydrocarbures dans la stratosphère est plus faible que celle des stratosphères des autres géantes gazeuses. Ceci la rend moins opaque (au-dessus de la couche brumeuse) et, par conséquent, plus froide que les autres géantes gazeuses..
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Thermosphère et couronne La partie externe de l'atmosphère d'Uranus est la thermosphère/couronne, qui a une température uniforme de 800 à 850 K. La température y est donc plus importante que dans la thermosphère de Saturne (420 K).. Les sources de chaleur nécessaires pour maintenir une température si élevée ne sont pas connues, puisque ni les radiations FUV/EUV solaires ni l'activité des aurores polaires ne fournissent l'énergie nécessaire. Il semblerait qu'il n'y ait pas d'hélium dans cette région. En plus du dihydrogène, la thermosphère-couronne contient une grande proportion d'atomes d'hydrogène. Leur faible masse et la température élevée aident à expliquer pourquoi la couronne s'étend jusqu'à au-dessus de la planète. Cette couronne est une caractéristique unique d'Uranus. Ses effets incluent une traînée sur de petites particules orbitant autour d'Uranus, causant une réduction générale des poussières dans les anneaux d'Uranus. La thermosphère d'Uranus produit d'intenses émissions quadrupôles d'hydrogène proche des infrarouges..
Ionosphère L'ionosphère d'Uranus se répartit dans la partie supérieure de la stratosphère et de la thermosphère. Les sources d'informations principales concernant les ions qui la constituent sont les mesures effectuées par Voyager 2 et les émissions infrarouges d'ions détectées depuis des télescopes terrestres. Les observations montrent que l'ionosphère se trouve entre d'altitude. L'ionosphère d'Uranus est plus dense que celle de Saturne et Neptune, qui peut résulter de la faible concentration d'hydrocarbures dans la stratosphère. L'ionosphère est principalement soutenue par les radiations d'UV solaires et sa densité dépend de l'activité solaire.. Les aurores polaires ne sont pas significatives comme sur Jupiter et Saturne.. La haute ionosphère (située dans la thermosphère) émet des UV, qui comme les radiations infrarouges d', sont émis exclusivement depuis la face éclairée de la planète.
Composition La composition de l'atmosphère est différente de la composition d'Uranus considérée comme un tout. Elle est composée principalement de dihydrogène et d'hélium. La fraction molaire de l'hélium, c'est-à-dire le nombre d'atomes par molécule d'hydrogène/hélium, a été déterminé à partir des analyses infrarouges et les observations par occultation effectuées par Voyager 2. La valeur actuellement acceptée est de . dans la haute troposphère, ce qui correspond à une fraction massique de . Cette valeur est proche de la valeur de la fraction massique protosolaire d'hélium, qui est de ., ce qui indique que l'hélium ne s'est pas installé au centre de la planète comme dans les autres géantes gazeuses. L'abondance du deutérium par rapport à l'hydrogène est , mesurée dans les années 1990 par le téléscope ISO, apparaît plus importante que la valeur protosolaire de qui a été mesurée sur Jupiter.. Ce deutérium se présente exclusivement sous la forme de molécules de deutérure d'hydrogène.
Le quatrième constituant le plus abondant de l'atmosphère est le méthane (), dont la présence a été remarquée grâce à des observations spectroscopiques effectuées depuis la Terre. Le méthane forme des bandes absorbantes dans le domaine du visible et des infrarouges donnant à Uranus cette couleur cyan ou aigue-marine. Les molécules de méthane représentent 2,3 % de l'atmosphère en pourcentage molaire en dessous de la couche de nuages composés de méthane (situés à environ ) ; soit près de 20 à celui du Soleil. L'abondance de composés tels que l'ammoniac ou l'eau est peu connue ; celle du sulfure d'hydrogène a été estimée pour la première fois en 2018 et vaut 10 au moins.. Toutefois ils sont probablement plus importants que la valeur solaire..
La spectroscopie infrarouge, dont les mesures effectuées avec le télescope spatial Spitzer (SST) et les observations par occultation des ultraviolets (UV), permirent de trouver des traces d'hydrocarbures dans la stratosphère d'Uranus, qui sont probablement produits par la photolyse du méthane induite par les radiations d'UV solaires. Parmi ces hydrocarbures se trouvaient de l'éthane (), de l'acétylène (), du méthylacétylène () et du diacétylène ().. La spectroscopie infrarouge a aussi permis de remarquer des traces de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone dans la stratosphère, qui peuvent provenir uniquement de sources extérieures telles que de la poussière et des comètes...
Climat vignette|L'hémisphère sud d'Uranus en vraie couleur (à gauche) et dans une longueur d'onde supérieure (à droite).
Le climat d'Uranus est fortement influencé par son manque de chaleur interne, ce qui limite l'activité atmosphérique, et son inclinaison axiale extrême, qui induit des variations saisonnières extrêmes. L'atmosphère d'Uranus est remarquablement calme en comparaison de celle des autres géantes gazeuses, même par rapport à celle de Neptune, qui lui ressemble toutefois beaucoup. Quand Voyager 2 passa près d'Uranus en 1986, elle observa seulement dix formations nuageuses autour de la planète...
Une explication proposée pour ce manque de formations nuageuses est que la chaleur interne d'Uranus se trouve plus en profondeur que celle des autres planètes géantes ; en termes astronomiques, elle a un faible flux de chaleur. Les raisons qui font que la température interne d'Uranus est si basse ne sont pas comprises. Neptune, qui est presque la jumelle d'Uranus en ce qui concerne la taille et la composition, émet plus d'énergie dans l'espace qu'elle n'en reçoit du Soleil. Uranus, en opposition, émet à peine de la chaleur. La puissance totale des émissions d'Uranus dans les infrarouges (de la chaleur) est de l'énergie solaire absorbée par l'atmosphère. En fait, le flux de chaleur d'Uranus est seulement de , ce qui est plus bas que le flux de chaleur interne de la Terre qui est d'environ 0,075 W/m². La température la plus basse enregistrée dans la tropopause d'Uranus est de (), faisant d'Uranus la planète la plus froide du Système solaire, plus que Neptune.
Les hypothèses expliquant la différence d'Uranus montrent qu'Uranus a probablement été renversée par un impact supermassif qui modifia son axe et qui l'inclina, cet évènement a aussi causé la perte de sa chaleur primordiale, la laissant avec un noyau à faible température. Une autre hypothèse est qu'une certaine forme de barrière existe dans les couches supérieures d'Uranus ce qui empêche la chaleur du cœur d'atteindre la surface..
Bandes, vents et nuages vignette|gauche|Vitesse des vents zonaux sur Uranus (les valeurs négatives indiquent la vitesse de vents rétrogrades). Les zones hachurées représentent le col sud et son futur homologue au nord. En 1986, Voyager 2 remarqua que l'hémisphère d'Uranus pouvait être subdivisé en deux régions : une calotte polaire brillante et des bandes équatoriales sombres. Leur frontière est située à environ −45 degrés de latitude. Une bande étroite s'étendant entre −45 et −50 degrés est la caractéristique visible la plus brillante de la planète.. Elle est appelée le col polaire. La calotte et le col sont considérés comme étant une région dense composée de nuages méthane situé à des pressions allant de 1,3 à . Malheureusement, Voyager 2 arriva durant le point culminant de l'été de l'hémisphère sud et ne put donc observer l'hémisphère nord. Toutefois, au début du , quand la région polaire nord devint visible, les télescopes Hubble et Keck n'observèrent aucun col ou calotte polaire dans l'hémisphère nord. Uranus semble donc asymétrique : brillante près du pôle sud et sombre et uniforme dans les régions se trouvant au nord du col sud. La structure latitudinale d'Uranus est différente de celle de Jupiter et de Saturne, qui présentent de multiples bandes étroites et colorées.