L’immagine di sinistra, in colori quasi reali, è stata costruita partendo da alcune riprese della camera WFPC2 con i filtri blu (467 nm), verde (588 nm), e rosso (673 nm). Vicino al polo sud (in basso a destra) si può osservare una macchia particolarmente luminosa e sono evidenti due fasce di nubi a 30 gradi e a 60 gradi di latitudine sud. Anche l’emisfero nord è attraversato da fasce di nubi centrate sui 30 gradi di latitudine.
La seconda immagine (a destra) è stata composta da immagini riprese quando il pianeta aveva effettuato una rotazione di 180 gradi rispetto alla precedente posizione (circa 9 ore dopo) per mostrare l’altro emisfero.
Nettuno è attualmente il pianeta più lontano dal sole, con un raggio orbitale di 4.5 miliardi di chilometri (30 Unità Astronomiche). Sebbene il suo diametro sia circa quattro volte quello della Terra (12.742 km), i telescopi con base a terra riescono a vedere soltanto un piccolo disco blu che sottende un arco di 2,3 secondi. Di conseguenza lo studio di Nettuno con telescopi terrestri è sempre una sfida: il suo disco è fortemente alterato dall’effetto dell’atmosfera.
Nonostante ciò gli astronomi hanno imparato molto da quando la sua posizione fu prevista per la prima volta da John C. Adams e Urbain Leverrier nel 1845. Essi, ad esempio, determinarono la sua composizione chimica fatta soprattutto di idrogeno e elio e interpretarono il colore blu della superficie come dovuto alla presenza di tracce di metano il quale assorbe la luce rossa. Riuscirono anche a identificare delle macchie più chiare la cui luminosità variava nel tempo e dedussero che il periodo di rotazione doveva essere di 17-22 ore.
Quando la navicella Voyager-2 raggiunse Nettuno nel 1989, i suoi strumenti rivelarono fenomeni meteorologici sorprendentemente vivaci quali venti forti, nubi luminose di alta quota e due grandi macchie scure interpretate come gigantesche tempeste di lunga durata. Queste macchie scure e queste nubi luminose si spostavano sulla superficie del pianeta denotando la presenza di venti che soffiano alla velocità di 325 metri al secondo (oltre 1.300 km/h). Il più grande di questi sistemi turbolenti chiamato "Grande macchia nera", ha ricevuto una speciale attenzione perché assomiglia alla "Grande Macchia Rossa" di Giove, un sistema nuvoloso che persiste da più di trecento anni. La durata della Grande Macchia Nera non può essere valutata soltanto dai dati Voyager perché la durata dell’incontro fu troppo breve e la sua evoluzione non può essere studiata dai telescopi a terra perché essi non la possono risolvere. Non è possibile nemmeno determinare il suo contributo alla luminosità complessiva del disco di Nettuno a causa della presenza di nubi luminose a rapida variazione chiamate "Compagne Brillanti" che normalmente sono associate alla Macchia.
Il Telescopio Spaziale Hubble, dopo la correzione delle ottiche, costituisce uno strumento ideale per monitorare questo ed altri fenomeni atmosferici di lontani pianeti. Le immagini prese con la camera WFPC2 possono risolvere il disco di Nettuno come molti telescopi a terra riescono a risolvere il disco di Giove. La capacità di risolvere dettagli sulla superficie della camera WFPC2 non è certamente elevato quanto quello della Narrow-Angle Camera a bordo del Voyager-2 durante il suo passaggio più ravvicinato, ma essa possiede una serie di vantaggi che ne accentuano il valore scientifico, come ad esempio la sensibilità all’infrarosso e all’ultravioletto, un migliore fattore di riduzione del rumore e una grande accuratezza fotometrica.
Queste immagini di Nettuno acquisite dal WFPC-2 Science team guidato da John Trauger alla fine di Giugno 1994 dimostrano chiaramente queste capacità. Il lato del pianeta che si rivolgeva alla Terra all’inizio del programma di acquisizione (ore 11:36 TU del 27 giugno) è stato ripreso con filtri che abbracciano l’ultravioletto (255 e 300 nm), il visibile (467, 588, 620 e 673 nm) e l’infrarosso (890 nm). Quindi il pianeta ha ruotato di 180 gradi ed è stata acquisita l’altra faccia in un sottoinsieme di queste lunghezze d’onda (300, 467, 588, 620, e 673 nm). Il programma HST/WFPC-2 condotto più recentemente da Hammel e Lockwood ci fornisce una migliore copertura di longitudine e un tempo di osservazione più esteso ma utilizza un insieme di lunghezze d’onda più limitato.
Le immagini all’ultravioletto ci mostrano un disco quasi senza particolari rilevanti e lievemente più scuro verso i bordi. Il contrasto aumenta invece nel blu, nel verde, nel rosso e nel vicino infrarosso. A queste lunghezze d’onda si distinguono molti altri dettagli visibili anche dal Voyager-2, fra cui la fascia scura a 60 gradi di latitudine sud e diverse nubi luminose. Le strutture chiare diventano più evidenti nel rosso e nell’infrarosso perché il metano assorbe maggiormente in queste lunghezze d’onda (619 e 890 nm). Si ritiene che queste nubi luminose si trovino in alta quota sopra lo strato principale e molto al di sopra dell’effetto di assorbimento dovuto al gas metano. Il bordo del disco appare piuttosto luminoso in questi colori indicando la presenza di strati di foschia ad alta quota estesi su tutto il pianeta.
L’emisfero nord è occupato da una singola e pronunciata banda nuvolosa centrata sui 30 gradi di latitudine. Questa struttura che circonda tutto il pianeta potrebbe coincidere con la nube luminosa scoperta recentemente da osservatori a terra. Le nubi dell’emisfero nord erano molto meno evidenti al tempo del passaggio del Voyager-2. I tropici sono circa il 20% più scuri rispetto alla luminosità media del disco nelle immagini a 890 nm. In una di queste foto si possono vedere alcune nuvole luminose lungo l’equatore nei pressi del bordo del disco. L’emisfero sud comprende due fasce luminose spezzate. La più grande e brillante di esse è centrata alla latitudine di 30 gradi ed estesa almeno per 40 gradi di longitudine, come il "Compagno Luminoso" della Grande Macchia Scura. C’è anche una sottile fascia di nubi a 45 gradi che circonda quasi tutto il pianeta.
Sorprendentemente assenti sono le due macchie scure osservate dalla navicella Voyager-2. Il WFPC-2 Science team ritieneva inizialmente che i due sistemi si trovassero presso il bordo del disco dove non si sarebbero potuti osservare. Ad una successiva analisi risultò che se fossero state presenti anche sul bordo si sarebbero potute distinguere comunque: la Grande Macchia Scura, al tempo del Voyager-2, copriva infatti 40 gradi di longitudine. Dovettero concludere che tali strutture sono scomparse. La conclusione del WFPC-2 Science team è stata confermata successivamente dalle osservazioni di Hammel e Lockwood. Questi cambiamenti drammatici dei sistemi di perturbazione atmosferica di grande scala e delle fasce che circondano il pianeta non sono completamente compresi ma sottolineano la natura dinamica dell’atmosfera di questo pianeta e rendono necessari ulteriori monitoraggi.