随着距地面的高度不同，大气层的物理和化学性质有很大的变化。按气温的垂直变化特点，可将大气层自下而上分为对流层、平流层、中间层（上界为85km左右）、热成层（上界为800km左右）和散逸层（没有明显的上界）。
对流层是大气圈中最靠近地面的一层，平均厚度约12km.对流层集中了占大气总质量75%的空气和几乎全部的水蒸汽量，是天气变化最复杂的层次。该层的特点有：
①气温随着高度的增加而降低。这是由于对流层的大气不能直接吸收太阳辐射的能量，但能吸收地面反射的能量所致。
②空气具有强烈的对流运动。近地表的空气接受地面的热辐射后温度升高，与高空的冷空气形成垂直对流。
人类活动排入大气的污染物绝大多数在对流层聚集。因此，对流层的状况对人类生活的影响最大，与人类关系最密切。
平流层位于对流层之上，其上界伸展至约55km处。在平流层的上层，即30～35km以上，温度随高度升高而升高。在30～35km以下，温度随高度的增加而变化不大，气温趋于稳定，故该亚层又称为同温层。平流层的特点是空气气流以水平运动为主。在高约15～35km处有厚约20km的臭氧层，其分布有季节性变动。臭氧层能吸收太阳的短波紫外线和宇宙射线，使地球上的生物免受这些射线的危害，能够生存繁衍。
从平流层顶至85km处的范围称为中间层。该层的气温随高度的增加而迅速降低。因此，该层也存在明显的空气垂直对流运动。
热成层位于85～800km的高度之间。该层的气体在宇宙射线作用下处于电离状态。电离后的氧能强烈吸收太阳的短波辐射，使空气迅速升温，因而该层的气温随高度的增加而增加。该层能反射无线电波，对于无线电通讯有重要意义。
800km以上的区域统称为逸散层，也称为外层大气。该层大气稀薄，气温高，分子运动速度快，地球对气体分子的吸引力小，因此气体及微粒可飞出地球引力场进入太空。
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