在3000多千米厚的大氣圈里，人們生活在近地面的大氣層中，對于近地面的大氣情況，通過長期的反復實踐，有了一定的了解。但是，高空中的大氣是什么樣呢？很久以來人們就在探索。

早在18世紀中葉，人們就開始利用風箏把氣象儀器帶到空中去觀測大氣。但是，風箏只能上升到二三千米的高度，而且在風小時還升不起來，風大時又容易發生危險。到18世紀末期，人們發明了載人氣球，用氫氣球將人和氣象儀器帶到空中，進行探測。雖然獲得了大氣中的一些資料，但是這種方法既笨重又不經濟，在探測高度上也是有限的。到了20世紀30年代，隨著電子技術的發展，發明了無線電探空儀，用氧氣球將氣象儀器和無線電發報機帶到高空中去。隨著無線電探空儀的上升，氣象儀器把沿途測量到的大氣溫度、大氣濕度、大氣壓力等氣象數值，通過無線電訊號不斷地發回到地面接收站。此時，才算比較圓滿地解決了空中的探測問題。以后，人們隨生產和軍事科學的進展，對大氣的探測又提出了新的更高的要求，利用無線電探空儀探測大氣高層的氣象資料已遠遠不能滿足要求了。經過廣大科學工作者的努力，終于發明了氣象火箭、氣象雷達、氣象衛星等等，從而，人們對于大氣高層的氣象資料有了進一步的了解。

氣象工作者根據用各種方法探測到的高空氣象資料，按照氣溫和空氣運動的特點，把大氣圖分成對流層、平流層、中層、熱層和外層。

對流層

對流層是大氣圈的最下層，它的高度在各地是不同的。赤道附近的地區，對流層的平均高度約十七八千米；兩極附近的地區，對流層的平均高度約八九千米；在中緯度地區，對流層的平均高度約為10～12千米。在對流層內，空氣溫度隨高度增加而降低，平均每上升100米，氣溫就下0.65℃。因為，下面的空氣溫度高，密度小；上面的空氣溫度低，密度大，所以下面的空氣就不斷上升，上面的空氣便跑下來補充上升的空氣。這樣在對流層內就發生了上上下下不停的對流運動。對流層之名就是由此而來。對流層對地面的影響最大，我們經常看到的天氣現象如云、雨、雪、雹等都發生在這一層內。

平流層

從對流層向上到五六十千米的高空稱為平流層。在平流層內，氣溫隨高度增加而增加。平流層內的氣流比較平穩，幾乎沒有什么對流運動，因此，比較適合飛機的飛行。這一層內的空氣以水平運動為主，所以稱為平流層。平流層內空氣比對流層內稀薄得多了，水汽、塵埃的含量也很少，經常是晴空萬里，偶爾可以看見貝殼色彩的貝母云。

中層

從平流層向上到八九十千米的高空稱為中層。在中層內，氣溫隨高度的增加而下降。中層內尚有少量的水汽存在，因此，有時可以看見銀白色的夜光云。

熱層

從中層向上到800千米左右的高空稱為熱層。這一層內的溫度很高，而且溫度的晝夜變化很大。

外層

熱層以上稱為大氣的外層。在外層內，空氣溫度更高，空氣非常稀薄，一些高速運動的空氣分子，可以掙脫地球引力，沖破其他分子的阻力而散逸到宇宙空間去，因此這一層又稱為散逸層。

大氣層除根據氣溫和空氣運動的特征劃分為5層外，它還可以根據其他的物理特征來劃分層次。如根據大氣的電離現象，可以把大氣劃分為非電離層和電離層。非電離層是指離地面大約60千米以下，在這一層內，大氣處于非電離狀態。電離層是指離地面大約60千米以上，在這一層內，由于太陽和其他天體射來的各種射線的影響，大氣分子被電離成帶電的正離子和自由電子。電離層又可劃分為D層、E層、F層、G層，它們的高度和電離程度經常在變化，其中以離地面80～500千米的高空，電離程度比較高。電離層可以反射無線電波，所以它對無線電通訊具有重要的意義。