海王星是太陽系八大行星中最靠外的一顆氣態行星，由於它距離太陽很遠，其表面溫度很低，平均只有-210攝氏度，除了和木星、土星這樣的氣態巨行星的大氣層物質組成比較相似以外，海王星大氣層以下的結構以及物質組成，卻與木星和土星差異較大，一方面表面為氧、氮、碳和硫等這些比氫重的物質佔比較高，另一方面也沒有發現像木星內核外圍包裹的金屬氫層，可能替代以水冰的結構，因此科學家們將距離太陽較遠的天王星和海王星，與木星、土星這樣的氣態巨行星加以區分，將其定義為冰巨星。
海王星的質量雖然遠遠趕不上木星的質量，但也達到了10^23噸級別，約為地球的17倍，其自轉周期約為16個小時，圍繞太陽運轉一周需要大約165個地球年。至於像天王星和海王星這樣的冰巨星是如何形成的，科學界目前的主流觀點，仍然是星際物質捕獲說，但是與靠近太陽的巖質行星有區別。
在太陽形成以後，隨著大量高能粒子流的向外釋放，在靠近太陽區域剩餘的原始星雲物質，其中較輕的氣體大部分被吹到距離太陽較遠的軌道，其中在小行星帶以外的木星具有得天獨厚的形成優勢，那就是在吸聚原始行星盤內的部分物質形成內核以後，可以優先捕獲到吹到這個區域的大量輕物質，從而使得自身的質量不斷增大，形成太陽系內最大的行星，沒有被捕獲到的輕氣體，則繼續在距離稍遠的軌道上被木星的內核所捕獲，最後使木星成為系內第二大行星。
而天王星和海王星的形成歷史則要晚於木星和土星，一方面是被這兩個「巨無霸」俘獲的星際氣體實在是太多了，向著更遠的軌道漂移的氣體物質變得較少。另一方面，木星和土星形成300萬年之後才逐漸冷卻，處在土星軌道外側的宇宙空間中，由於接受太陽輻射的能量非常小，因此聚集了一些處於冰晶狀態的星子，它們的公轉速度非常慢，使得冰晶體相互結合以及從剩餘的星際氣體中俘獲物質的速度都非常緩慢。這這個長達幾千萬年的醞釀過程中，由一些巖石和冰晶所組成的兩個原始行星逐漸脫穎而出，當成長到一定程度以後開始在引力作用下，吸聚從太陽系內側漂移且沒有被木星和土星俘獲的大量氫和氦等輕氣體。只不過受到物體總量的有限性以及「起步太晚」的緣故，天王星和海王星最終沒有條件成長到木星、土星那麼大。
海王星的大氣層密度雖然沒有木星大，但仍要比地球高出上百倍，雖然其表面溫度很低，但隨著大氣層高度的下降，其溫度和壓力逐漸提升，在大氣層內上下巨大的溫度差異，使得大氣運動十分頻繁，自然環境十分惡劣，其中劇烈風暴是其中最具代表性的事件。據監測，海王星上的風暴平均速度，已經超過了兩倍的音速，達到1200公裡每小時，想像一下地球上平均風速最高的地方是南極洲，其平均風速也才達到70公裡每小時，最高紀錄才達到300公裡每秒，與海王星上的風暴速度相比真是小巫見大巫。
說到這裡，不得不提一下海王星上的大黑斑，這是旅行者二號飛越海王星期間監測到的一個大型風暴，其移動速度達到驚人的2400公裡每小時，這比木星上的大紅斑移動速度也要快上許多。科學家們推測，正是由於海王星大氣層的溫度非常低，在風暴的頂部溫度也只達到零下130攝氏度，在低溫條件下，風暴組成氣體物質之間的摩擦效應明顯減弱，所引發的旋流效應也比較小，因此持續時間會相當長，而且會隨著能量的不斷聚集而速度越來越快。
科學家們通過對水的相態變化規律以及海王星的結構特點，推測出在海王星的大氣層之下，存在著由大量水冰和巖石所構成的一個高熱固態圈層結構，而這種水冰不同於地球上水體所結的冰，而是被稱為「七號冰」的一種獨特固態水。
決定水體相位的兩個主要因素一個是溫度，另外一個就是壓力，當溫度和壓力處於特定的組合方式時，水就會以不同的相態出現，除了固、液、氣三種基本形態之外，對於固態來說，還可以進一步細分為二號冰、三號冰、一直到十號冰。在海王星的內部，則具備七號冰的存在條件，即壓力在10萬-100萬倍標準大氣壓、溫度在幾百到上千溫度這個區間之內。
由於七號冰與一般的水冰的晶體結構不同，在其結晶核與液態水分之間基本沒有中間熱層，因此在推動液態水分子結晶方面，只會受以初始結晶水分子的排列規律影響，所以結晶的擴散速度理論上非常快，有研究機構測算，七號冰的結晶擴散速度可以達到驚人的1600公裡每小時，而海王星的內部就存在著可以支撐七號冰存在的自然環境，這種冰還具有超離子導體功能，具備超強的導電導熱能力，融點還極高，想想都覺得恐怖。
如果在地球的海洋中出現這種七號冰，那麼用不了多長時間，地球上的海洋都將全部結成冰塊。幸好，我們所在的地球表面，即使在海底深處，也不具備七號冰存在所需要的高壓環境，大家就不用為此擔心了。