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这种高电导的流体通常也被叫作水-氨海洋。大气层包括大约从顶端向中心的10%到20%，高层大气主由80%氢和19%氦组成。甲烷，氨和水的含量随高度降低而增加。
更内部大气底端温度更高，密度更大，进而逐渐和行星地幔的过热液体混为一体。
海王星内核的压力是地球表面大气压的数百万倍通过比较转速和扁率可知海王星的质量分布不如天王星集中。
海王星上面有的类似木星大红斑及土星大白斑的卵状气旋，以大约16天的周期一反时钟方向旋转，称为“大黑斑”。由于大黑斑每18.3小时左右绕行海王星一圈，比海王星的自转周期还要长，大黑斑附近的纬度吹着速度达300米每秒的强烈西风。
大黑斑或许是一团从大气层低处上升的羽状物，但它真正的本质还是一个谜。然而在1994年11月2日，哈勃望远镜对海王星的观察发现大黑斑竟然消失了。
它或许就这么消散了，或许暂时被大气层的其他部分所掩盖。几个月后哈勃望远镜在海王星的北半球发现了一个新的黑斑。这表明海王星的大气层变化频繁，这也许是因为云的顶部和底部温度差异的细微变化所引起的。
海王星有14颗已知的天然卫星。海卫一是仅有的一颗大型卫星，被威廉·拉塞尔发现于发现海王星17天后，与其他大型卫星不同，海卫一运行于逆行轨道，说明它是被海王星俘获的，大概曾经是一个柯伊伯带天体。
它与海王星的距离足够近使它被锁定在同步轨道上，它将缓慢地经螺旋轨道接近海王星，当它到达洛希极限时最终将被海王星的引力撕开。海卫一是太阳系中被测量的最冷的天体，温度为-235℃（38K）。海王星第二个已知卫星（依距离排列）是形状不规则的海卫二，它的轨道是太阳系中离心率最大的卫星轨道之一。
从1989年7月到9月，“旅行者2号”发现了六个新的海王星卫星。其中形状不规则的海卫八以拥有在其密度下不会被它自身的引力变成球体的最大体积而出名。尽管它是质量第二大的海王星卫星，它只是海卫一质量的1/400。
