行星或太阳最外面的由气态物质构成的那一层。由于大气层的气体不是被封闭在一个容器内，它没有一个明确的界限。地球的大气层向上延伸直到与行星际空间的气体相混合，中间没有界限，而行星际空间的气体又是太阳外层大气的延续。然而，地球大气层上层气体与下层相比，是非常稀薄的，因为大气层下部的空气受到位于其上面的空气的全部重量的挤压。大气层的最外一层叫作外大气层，有时也叫作“逸散区”，因为在这一层里，空气的密度非常小，有相当数量的原子或分子从这里离开地球。

　　外大气层下界的高度叫作逸散的临界层。它的高度有各种不同的估计：从500公里到1000公里。

　　在这个高度以上，空气粒子一般以向上的自由运动为主，因为在这里方向向上的运动所遇到的其它粒子的碰撞机会极少。地球大气层最上限的高度有时被认为有3万公里：在这样的高度上，分子似乎还严格地随着地球转动，但是已不能保持在地球引力作用下所应具有的轨道。从普通气象学角度来说，可以把大气层的上界或“顶”的高度看做是远为低得多，因为大气层的大部分质量只是局限在比地球直径小得多的很薄的一层内。的确，地球大气层的三分之二的质量位于地形的最高点（8.8公里）以下，而在33公里以上那部分空气的质量则不到整个大气层的百分之一。

　　根据着眼的角度的不同，例如，根据温度、离子化程度或气体的组成等，有各种不同图式将大气层按垂直方向分层。从地面到100公里的高度称混成层（homosphere），是由一些稳定的气体以固定的比例混合的。在这一层里，氮（N）和氧（O）占纯净的、干燥的空气的99％。然而，众所周知，某些稀有的气体或稀少的组成成分，以及空气中的变化着的水蒸汽，对于使地球适合于生命的生存是非常重要的。水蒸汽和二氧化碳对于大气层的温室效应起着非常重要的作用，温室效应使地球表面温度变化的幅度保持在较小的范围内。这两种气体能容许太阳的大部分辐射通过并到达地表，同时也能强烈吸收地球所辐射的长波红外辐射能，并把所吸收的红外波段能量的一部分再辐射回地表，使地表温度高于假如没有这一作用存在情况下的温度。在这一层中的臭氧（O3）是氧分子（O2）被紫外光分解而产生的。臭氧吸收太阳的紫外光并保护植物和动物的机体免受紫外光的伤害。大气中的水蒸汽与大多数天气现象有关系，由于有水蒸汽，水的循环才成为可能。

　　从100公里向上，空气的组成成分不再是一成不变的，叫作不均质层（heterosphere）。在这一层里，气体不再按照固定的比例存在，而是按照它们的分子重量分布。在这一层的底部，最重的气体（氮）最多，在这一层的顶部，最轻的气体（氢）最多。在250公里和1000公里这一高度范围，在太阳紫外辐射的作用下，氧分子分解成氧原子，因而，在这里，氧原子多于氧分子。由于氧原子的产生取决于所吸收的太阳紫外辐射，而太阳紫外辐射随着太阳活动的11年周期，也就是太阳黑子活动周期而变化，因此，在

　　20O和5000公里之间，氮、原子氧、氦和氢的相对比例在白天和晚上，在太阳黑子活动的最强时候和最弱时候都不一样。

　　电和磁场的情况则是进行大气层垂直分层的另外一些图式的划分依据。大气层中50公里以下，相对来说是没有离子化的一层，为中性层。从中性层的顶部向上为离子层。离子层的特征是离子和自由电子的数量很多。离子化的主要能量来自于太阳的紫外辐射。离子层的变化强烈地影响着无线电通讯。磁层，是地球大气层的离子化部分的较外层区域。这一层大致位于250公里以上。在这里，带电气体的运动受磁场的作用要超过引力的作用。在6万公里的高度上，粒子的行为不仅仅受到地球引力场的作用，还受磁场的作用，并且基本上还是随着地球在运动，所以这一高度也可以看做是地球大气层的一部分。

　　按照温度随高度的变化进行大气层垂直结构的划分，是一个众所周知的图式。这一图式是气象学家所感兴趣的，因为温度随高度变化的情况决定着大气层的稳定性，并对天气有深刻的影响。按照温度变化所划分出的最下面的一层是对流层（tropos-phere）。在这一层里，温度随高度而降低：从地表面约15℃到11公里高度处降到约为-57℃。11公里是对流层顶的平均高度。再上面一层是平流层（St-ratosphere）。在这一层，起初温度是稳定的，然后上升，在50公里附近的高度处，温度升到-2℃左右。50公里是平流层顶的平均高度。大气层中的这两个层次的存在实际上是由于下述两个因素决定的。一是存在着影响太阳辐射和地面辐射透射情况的气体；一是大气层的混合或扰动。温室效应在地球表面上创造了一个温暖的环境。臭氧层的存在（10至50公里）使得在50公里的高度上温度达到最大值，因为在这一高度上臭氧最强烈地吸收了太阳辐射。

　　再向上为中层（mesosphere）。在这一层中，温度再一次随高度的增加而降低，在79公里处下降到约-92℃的最低值。在89公里的高度，为热成层（thermosphere）的底部。在这一层，随着高度的增加，温度非常迅速地增加，在太阳黑子活动周期的中期，温度最高可以达到1200℃左右。

　　虽然对流层下部的温度高于上部，这种造成空气相对不稳定的温度分布情况有利于空气的垂直运动，但是由于水蒸汽主要是集中在对流层的下部，因而，云和降水也主要是局限在对流层的下部。由于地球表面温度相对较高，就能使水进行蒸发；湿润的空气在上升过程中，随着高度的增加和气压的降低，体积膨胀、冷却，使水蒸汽凝结。对流层顶部的低温在某种意义上来说是起冷凝器的作用。

　　水蒸汽的凝结以及变成降水落下，造成平流层含有的水蒸汽相对非常少，这已由大量的研究所证明。在平流层中，温度随高度而增加，因此平流层是非常稳定的，垂直运动则被遏制住了。由于垂直方向的稳定性，又缺乏降水，使得进入到平流层中的尘埃以及其它物质在这里要比在对流层中停留的时间长。

　　地球的自转以及绕太阳的公转使太阳辐射表现为有规律的日变化和季节性变化，这在大气层的下部表现得非常明显。由于地球是圆形，造成在低纬度地区太阳辐射过多，而在极地地区则不足。大气层的热状况以及对流层顶的高度和平流层的温度，也随着纬度和季节而变化。

　　地球热带地区和极地地区的温度差异造成气压的差异，并进而导致大气层的全球性环流或大气环流。这种由热量输送导致的环流，其特点是以水平环流为主，这是由于大气层的厚度与大气层在水平方向延伸的距离相比，是微不足道的。地球的转动造成大规模运动的空气主要表现为地转式的运动，也就是相当于在科里奥利力和气压梯度力二者的合力作用下的运动。地球的气候可用大气环流、太阳辐射的分布以及地表形态，如山脉的分布等因素来解释。

　　高层大气不仅反映出太阳辐射的周期变化，而且也反映出太阳辐射的不规则的、微小的变化——形成太阳风的高能粒子流的变化。在热成层，温度的变化不仅在白天和晚上是非常明显的，而且也随着太阳黑子活动的周期性而有明显的变化。磁层反映太阳风的变化，在太阳的耀斑之后，就在地球大气层中产生磁暴，干扰着无线电通讯。在太阳活动最强烈的时候，出现形态各异的极光，这可以很好说明高层大气的稀薄气体进行着能量的再释放。参见插图“天穹”。