地球の大気圏では、成層圏のオゾン層が太陽の紫外線を吸収して空気を温めています。この現象は、空気が最も暖かい高度50km付近で起こります。
熱圏の窒素や酸素の分子は、太陽の紫外線やX線を吸収し、熱圏の温度を高くしています。
大気を構成する原子や分子は、あちこちに散らばっています。これを熱運動といいます。温度とは、この熱運動の強さを示す数値です。熱圏の上の空気は高温ですが、熱運動が激しいといっても、大気の密度があまり高くないので、単位体積あたりのエネルギーはそれほど多くありません。
その高さより上の大気の単位面積あたりの重さが気圧です。高度が上がるにつれて、大気中の圧力は16kmごとに約


1
10


{\displaystyle {\frac {1}{10}}}
ずつ下がっていきます。例えば、高度50kmでは海面気圧(海抜0m)の約


1
1000


{\displaystyle {\frac {1}{1000}}}
、高度100kmでは約100万分の1になります。
水蒸気や二酸化炭素などの温室効果ガスは、それぞれの惑星の暑さや寒さを考える上で大きな役割を担っています。金星と火星は、高度が低いほど大気の温度が上昇します。これは、大気が温室効果を持っているのが主な理由です。
オゾン層があるため、地球の気温は地表から50km付近でピークを迎えます。一方、火星や金星にはオゾン層がないため、地球のようなホットスポットは存在しません。
大気中の水蒸気のほとんどは対流圏に存在します。大気が動くと、この水蒸気から雲や雨が発生し、毎日の天候を変化させています。対流圏と成層圏の境界である対流圏界面(圏界面)は、高緯度では約9km、中緯度では約12km、低緯度では約17kmの高さになっています。日本付近では、低緯度の球面界面は夏に多く見られ、低緯度と中緯度の球面界面(二重圏界面)は夏以外でもよく見られるようになりました。
対流圏では、高度が上がるにつれて空気が冷たくなります。高度が高くなるにつれて気温が下がる割合を気温減率といいます。平均すると、高度100mあたり約0.65°Cの低下となります。
大気境界層は、対流圏のうち、地表の影響を受ける最も低い部分です。大気境界層では、地表に接する空気が日中の太陽によって暖められるため、気温は日々変化しています。上昇気流も起こり、地上から1〜1.5kmくらいまでの空気は非常によく混ざっています。
空が澄んでいる夜、上空は暖かくなります。逆転層とは、このような層をいいます。夜、放射冷却によって地球の表面温度が下がると、地表に近い大気も冷やされます。これが地盤逆転の原因となります。逆転層の中では、空気はとても安定しています。上空に逆転層があると、煙や埃などの汚染物質が逆転層の下に集まりやすくなります。逆転層では対流が起こりにくいからです。
対流圏界面の上では、宇宙空間の温度が上昇し、50〜60km上空で最も高くなります。この領域を成層圏といい、成層圏界面は成層圏の最上部を表す名称です。成層圏下部の約15〜30kmの高さには、大気中に多くのオゾンが存在します。この部分をオゾン層といいます。オゾン層は太陽の紫外線を吸収して大気を暖めるので、成層圏の気温が高くなる仕組みになっています。オゾン層の上部は紫外線を多く吸収しますが、上に行くほど大気の密度が低くなり、熱を保持出来なくなるので、最高気温は50kmくらいになります。オゾン層は、生物に悪い紫外線のほとんどを吸収してしまいます。
オゾンの多くは、熱帯地方の上部成層圏で、紫外線が酸素の分子にぶつかって作られます。しかし、オゾンの量は、低緯度よりも高緯度の方が多く見られます。これは、低緯度の成層圏で作られたオゾンが、大気の大規模な循環によって高緯度へ移動するためです。この循環は遅く、熱帯対流圏のオゾンが極域に到達するのに4〜5年かかるといわれています。
1980年代には、実験室で作られるフロンがオゾン層を薄くしている事実が明らかになりました。フロンの製造や使用には規制があるのに、まだ多くのフロンが大気中で残っています。オゾンホールとは、毎年春先(9〜10月頃)、主に南極に現れるオゾンが非常に少ない領域をいいます。
オゾンホールは、秋から春にかけて、強いジェット気流(成層圏の極渦)が南極大陸の周りを時計回りに流れるため、同じような状態になります。そのため、中緯度ではオゾンを多く含んだ空気が混ざらないようになっています。極渦の内側には大きな低気圧があり、これが冷たいので極成層圏雲が形成されます。この雲の表面で、オゾンホールを作るものの一つであるフロンから出る物質が、激しいオゾン層破壊反応を起こします。夏になると、極域の気温が上がり、極成層圏の雲や極渦が消えます。その結果、オゾンを多く含む低緯度の空気がオゾンホールに流れ込み、オゾンホールが閉じてしまいます。
成層圏は、夏には極域を中心とした安定した高気圧に覆われます。しかし、冬になると、対流圏で作られた大規模な大気の波が成層圏に伝わり、一時的に極渦が乱されます。この時、成層圏の温度は一気に数十度上昇します。これを成層圏突然昇温といいます。成層圏突然昇温は、陸と海が複雑に広がっている北極では起こりやすく、南極では起こりにくいといわれています。
一方、赤道成層圏で起こる大規模な振動として、準2年周期振動があります。これは、26カ月ごとに東風と西風が入れ替わるものです。これは、対流圏で大小様々な波が作られ、伝わっていくためだと考えられています。また、対流圏の気候は、成層圏の急激な温暖化や、ほぼ2年ごとに起こる変化にも影響されます。
成層圏と対流圏の境界である約50〜60km上空は、空気が冷たくなっています。この範囲は中間圏といわれています。高度80〜90kmでは、最も気温が下がります。中間圏界面は、中間圏の上端です。
中間圏の上空で、高度が上がるにつれて気温が上昇するのが熱圏です。ここでは、酸素と窒素が太陽の紫外線やX線を吸収するため、大気が暖かくなります。波長の短い紫外線は熱圏で、波長の長い紫外線はオゾン層で吸収されます。オーロラは、熱圏のある高緯度地方で発生します。太陽からの荷電粒子が大気中の原子や分子にぶつかると、エネルギー状態が高まります。その結果、大気は光を放つようになります。太陽の動きに左右されますが、熱圏の上縁は地表から約500〜700kmの高さにあります。外気圏は、熱圏の上部にある宇宙空間です。
高度約80〜500kmで、太陽からの紫外線が原子や分子を電離し、イオンや電子が多く存在する場所となります。電離圏とは、この領域の名称です。電離圏には、電子密度が非常に高い層(電離層)が数種類存在します。短波の電波は電離層でよく反射されるので、地球の裏側にいる人と話すのに使えます。
一方、極中間圏雲は、夏に南極や北極の中間圏上部(上空約85km)に発生する雲です。夏場、ここの空気の温度は-140度程度まで下がり、少量の水蒸気が凝縮して氷雲となります。これは、地球の大気圏で見られる最も低い温度です。極域中間圏の雲を構成する水蒸気は、対流圏からやってくるのではありません。メタンが酸化され、近く(中間圏上部)で作られています。日没後や日の出前に太陽の光が当たると青白く見えるため、「夜光雲」とも呼ばれます。
今では毎年のように見られる夜光雲も、産業革命以前にはなかったとされています。オゾンホールと同様、人間活動が原因ではないかと考えられています。