Наиболее сильное изменение метеорологических параметров происходит по вертикали. Например, температура по вертикали изменяется в сотни раз быстрее, чем по горизонтали. С учётом изменения по вертикали температуры, давления, состава, электрический свойств и других характеристик воздуха, атмосферу разделяют на ряд слоев (сфер).
Наиболее отчетливо различие слоев атмосферы проявляется в характере распределения температуры воздуха с высотой. По этому признаку выделяют пять основных сфер: тропосферу (в среднем до высоты 11 км), стратосферу (от 11 до 50-55 км), мезосферу (от 50-55 до 90 км), термосферу (от 90 до 450 км) и экзосферу (свыше 450 км). Между этими слоями имеются прослойки относительно небольшой вертикальной протяженности. Их называют паузами. Например, между тропосферой и стратосферой находится тропопауза. Между остальными сферами располагаются соответственно стратопауза, мезопауза и термопауза.
Тропосфера - самый нижний слой атмосферы, начинающийся от земной поверхности. Ее высота зависит от времени года, широты места, а также от характера циркуляции воздуха. На одной и той же широте верхняя граница тропосферы опускается зимой и поднимается летом. В одно и то же время года вертикальная протяженность тропосферы в умеренных широтах составляет 9-12 км, к полюсам она уменьшается до 8-10 км, а к экватору возрастает до 16-18 км. Над областями повышенного давления верхняя граница тропосферы опускается, а над областями пониженного давления поднимается. В тропосфере наблюдаются перемещения воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также интенсивное его перемешивание. В тропосфере находится основная масса водяного пара; здесь происходит образование облаков, выпадение осадков, наблюдаются другие метеорологические явления. Характерная особенность тропосферы - убывание температуры с высотой. На каждые 100 м высоты температура убывает в среднем на 0,65°С. Средняя годовая температура на верхней границе тропосферы составляет примерно -55°С в умеренных широтах, -75°С над экватором, -65°С над Северным полюсом зимой и -47°С - летом. Вертикальная протяженность тропопаузы колеблется от нескольких сотен метров до 1-2 км. За ее нижнюю границу принимается высота, на которой температура перестает уменьшаться с высотой или начинает повышаться. На уровнях, близких к тропопаузе, наблюдаются потоки воздуха в виде узких течений с очень большими скоростями (150-300 км/ч), Эти потоки называются струйными течениями.
Над тропопаузой до высоты около 50 км простирается стратосфера, характеризующаяся ростом температуры с высотой. До высоты 35 км этот рост происходит очень медленно, а выше 35 км температура быстро растет и на верхней границе стратосферы достигает среднегодового значения около 0°С с отклонением ±20°С. Рост температуры воздуха с высотой в стратосфере объясняется поглощением солнечной радиации озоном. На верхней границе стратосферы температура испытывает резкие колебания в зависимости от времени года и широты места, связанные с колебаниями слоя озона.
Водяной пар в стратосфере содержится в небольшом количестве, поэтому обычные облака в этом слое не образуются. Изредка на высотах 20-25 км наблюдаются перламутровые облака. В стратосфере также происходят интенсивная циркуляция воздуха и его вертикальные перемещения.
Над стратопаузой расположена мезосфера. До высоты около 80 км в мезосфере наблюдается падение температуры с высотой до значений 90°С. Наблюдения за движением метеорных зондов и данные, полученные с помощью ракет, свидетельствуют о том, что скорость ветра в мезосфере достигает 150 м/с. Уменьшение температуры с высотой дает основание предполагать наличие в мезосфере интенсивного перемешивания воздуха. В мезосфере на высотах 82-85 км иногда наблюдаются серебристые облака. Над мезосферой расположена мезопауза.
Выше лежит термосфера, в которой температура возрастает с высотой. По косвенным данным и результатам ракетных наблюдений температура на высоте 150 км равна примерно 220-240 К, на высоте 200 км достигает 500 К, а на верхней границе термосферы превышает 1000 К. Рост температуры с высотой объясняется поглощением ультрафиолетовой радиации атомарным кислородом и азотом. Однако температура на указанных высотах характеризует только энергию движения молекул. Постороннее же тело, помещенное на эту высоту, вследствие очень сильной разреженности воздуха не воспринимает от него столь высокую температуру. Температура искусственных спутников Земли, космических кораблей, ракет на этих высотах в основном определяется поглощаемой ими лучистой энергией.
Экзосфера (сфера рассеяния) - внешний слой атмосферы – простирается до земной короны и постепенно переходит в межпланетное пространство. Температура в экзосфере возрастает с высотой предположительно до 2000 К. В экзосфере газы находятся в весьма разреженном состоянии и частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не сталкиваются друг с другом.
В атмосфере имеется слой с высокой электрической проводимостью, образующийся в результате интенсивной ионизации воздуха космическими лучами, ультрафиолетовой и корпускулярной радиацией Солнца. Нижняя граница этого слоя расположена на высоте 60-80 км, а верхняя достигает нескольких сотен километров. Этот слой называется ионосферой.
Слой атмосферы, расположенный между высотами 20 и 55 км и содержащий основную массу озона, называется озоносферой.
По характеру взаимодействия с земной поверхностью атмосферу разделяют на пограничный слой, нижний слой высотой 11,5 км и свободную атмосферу, расположенную выше этого слоя. Пограничный слой характеризуется суточными изменениями метеорологических величин. Самую нижнюю часть пограничного слоя (высотой 50-100 м), примыкающую к земной поверхности, называют приземным слоем. В этом слое потоки тепла и водяного пара мало изменяются с высотой.
