对流层与地球表面直接相连，在其中频繁地发生着云、雨、雪等天气现象，温度随着高度变化而递减。温度递减的平均速率（温度直减率）约为6.4℃/公里。它的上限即对流层顶，其高度在全球是不相同的，赤道上空约为17公里；两极地区仅仅只有6～8公里；在中纬地区，这个上限的高度随大气条件而变化，高压区约为13公里，低压条伴下可能低于7公里。
平流层总的趋势是：温度随着高度有一个缓慢的、比较平稳的增加。其上限约在距地面50公里的高度，并达到其最大温度值270°K，称为平流层顶。平流层的空气与对流层的空气，可以进行交换。据计算，这种交换通常需要几个月的时间。在平流层中的重要事件之一，为存在着一个臭氧层（O3），它对地球上的生物和人类，乃至对气候变迁等，具有重要作用。这个臭氧层约从15公里的高度开始，一直向上延伸至55公里处，象一个屏障，吸收了太阳辐射光谱内的大部分紫外辐射，从而使地球上的生命能够安全地存活。
在重力作用下，整个大气圈垂直向下作用于地球行星表面上的力，即为大气压力。如果给定一个高度变化△h，其压力的变化即为△P，并且有：
△P=-gρ△h (5.21)
式中g为重力加速度，ρ为该高度间隔△h内的空气平均密度。已知密度为压力、温度和空气分子量的函数，表达为：
式中M为空气分子量；T为绝对温度（°K）；R为波尔兹曼常数（=1.38×10-16尔格/°K），代入后可得：
这样，只要知道温度T和空气分子量M，即可计算出大气压力。同时，只要知道大气压力和分子量，亦能十分方便地计算出温度。现将标准大气的温度、分子量和压力列于表5-12。
大气温度随高度的变化可从图5-11中表示出来。
从图5-11中可以发现，温度随着高度的分布曲线中有3个高温带：其一为大气底层，原因可以归结为大气中的水汽、CO2等所吸收的太阳辐射以及长波辐射的作用；其二为地面以上30～50公里的臭氧层集聚带，因为O3吸收了强紫外线的缘故；其三是从高度90公里处向上处，主要由于原子氧吸收了紫外辐射。
穿过大气圈的太阳辐射，其能量以不同的方式衰减。在高达150公里处，太阳辐射波谱几乎还能够保持原先所具有的能量，当到达88公里高度时，x射线已差不多被全部吸收，同时部分紫外辐射亦被吸收；当太阳辐射射线抵达平流层时，臭氧层吸收了绝大部分的紫外辐射；当太阳辐射进入到对流层时，由于空气分子受地球引力作用而密度越来越大，故对太阳辐射具有反射、吸收、散射、透射等各种功能。其中吸收作用主要是通过空气中的CO2和水蒸汽，这种吸收导致了大气温度的升高，并且产生了温室效应。图5-12估算了地—气系统的辐射平衡。
研究大气的运动特性，可从两个主要方面入手：其一是从湍流扩散着眼，研究空气能够趋向于均匀混和的机制。因为从地表面向上至大约120公里的高度，由于空气分子间的充分混合，使得它的分子量和成分表现得十分稳定，我们通常称此层为均匀层。其二，由于地表接受太阳辐射能的不均衡，导致了对地表加热的不均
衡，这样地表之上的气压在全球范围内有很不一致的空间分布，产生了气压梯度，它引起了低层大气的大尺度环流。此种大尺度环流特性，反映了空气的垂直运动、水平运动、摩擦力效应、地球偏向力效应等综合结果。