大氣圈的下界通常是指地表，但在地面以下的土壤、鬆散堆積物及某些岩石中也含有少量空氣，它們是大氣圈的地下部分，其深度一般小於3 km；大氣圈上界無明確的界限，一般認為在2000～3000 km的高空向行星際塵埃的密度過渡。大氣圈在垂直方向上的物理性質有顯著的差異，根據溫度、成分、電荷等物理性質，以及大氣的運動特點，可將大氣圈自地面向上依次分為對流層、平流層、中間層、暖層及散逸層（圖2-1）。
（一）對流層（troposphere）
對流層是大氣圈最下面的一層，它的厚度隨緯度而異，赤道附近厚17～18 km，兩極僅8～9 km，平均厚度約11～13 km。而且厚度還隨季節變化，一般夏季較大，冬季較小。同大氣圈總厚度相比，對流層雖然很薄，但其質量卻佔大氣圈總質量的70%～75%，且集中了大氣圈的幾乎全部水汽和塵埃。對流層的主要特徵是：①溫度隨高度增加而降低，一般平均每升高1 km溫度降低6 ℃，稱為大氣降溫率，這是由於對流層熱量主要依靠吸收來自地面的長波輻射，因此距地面越高，所獲得的熱量越少；②空氣具有強烈的對流運動，這是由於地面的不均勻加熱所導致的不同緯度、不同高度的大氣具有溫度差與密度差造成大氣相互流動，空氣對流使地面的熱量、水汽和雜質向高空輸送，從而發生一系列天氣現象，如風、雪、雨、雲等；③氣象要素水平分佈不均勻，由於對流層受地表的影響較大，其溫度、溼度、氣壓的水平分佈很不均勻，並由此而產生一系列物理過程，形成複雜的天氣現象；④對流層受人類活動影響最顯著，人類生產活動排放的大氣汙染物絕大部分都集中在對流層中。
圖2-1 大氣圈的垂直分層
（引自劉本培等，2000）
（二）平流層（stratosphere）
平流層是從對流層頂至35～55 km高空的大氣層，其質量約佔大氣圈總質量的20%。平流層的最顯著特點是氣流以水平方向運動為主，故而得名。平流層基本不含水汽和塵埃物質，不存在對流層中的各種天氣現象。在該層的上部（30～55 km）存在多層的含臭氧層，它能吸收來自太陽的99%以上對生命有害的紫外線，所以稱它是地球生物的保護傘。平流層的溫度，最初隨高度的增加保持不變或略有上升，但升至30 km以上時，由於臭氧吸收了大量紫外線，溫度升得很快，到平流層頂時的氣溫升至-3～17 ℃。
（三）中間層（mesosphere）
自平流層頂至85 km左右高空的大氣層。由於這裡沒有臭氧吸收太陽輻射的紫外線，氣溫隨高度增大而迅速下降，至中間層頂界氣溫降到-83～-113 ℃。由於下熱上冷，再次出現空氣的垂直運動。該層的頂部已出現弱的電離現象。
（四）暖層（thermosphere）
又稱電離層（ionosphere），為從中間層頂到800 km左右的高空。該層的空氣已很稀薄，質量只佔大氣總質量的0.5%。該層的空氣質點在太陽輻射和宇宙高能粒子作用下，溫度迅速增高，再次出現隨高度上升氣溫增高的現象。據人造衛星觀測，到500 km處溫度高達1201 ℃，500 km以上溫度變化不大。同時，因紫外線及宇宙射線的作用，氧、氦被分解為原子，並處於電離狀態，按電離程度可分為幾個電離層，各層能反射不同波長的無線電波，故在遠距離短波無線電通訊方面具有重要意義。
（五）散逸層（exosphere）
也稱外逸層，位於800 km以上至2000～3000 km的高空，空氣已極為稀薄。本層是大氣圈與星際空間的過渡地帶，其溫度也隨高度的增加而升高。因離地面太遠，地球引力作用弱，空氣粒子運動速度很快，所以氣體質點不斷向外擴散。
大氣圈的下界通常是指地表，但在地面以下的土壤、鬆散堆積物及某些岩石中也含有少量空氣，它們是大氣圈的地下部分，其深度一般小於3 km；大氣圈上界無明確的界限，一般認為在2000～3000 km的高空向行星際塵埃的密度過渡。大氣圈在垂直方向上的物理性質有顯著的差異，根據溫度、成分、電荷等物理性質，以及大氣的運動特點，可將大氣圈自地面向上依次分為對流層、平流層、中間層、暖層及散逸層（圖2-1）。
（一）對流層（troposphere）
對流層是大氣圈最下面的一層，它的厚度隨緯度而異，赤道附近厚17～18 km，兩極僅8～9 km，平均厚度約11～13 km。而且厚度還隨季節變化，一般夏季較大，冬季較小。同大氣圈總厚度相比，對流層雖然很薄，但其質量卻佔大氣圈總質量的70%～75%，且集中了大氣圈的幾乎全部水汽和塵埃。對流層的主要特徵是：①溫度隨高度增加而降低，一般平均每升高1 km溫度降低6 ℃，稱為大氣降溫率，這是由於對流層熱量主要依靠吸收來自地面的長波輻射，因此距地面越高，所獲得的熱量越少；②空氣具有強烈的對流運動，這是由於地面的不均勻加熱所導致的不同緯度、不同高度的大氣具有溫度差與密度差造成大氣相互流動，空氣對流使地面的熱量、水汽和雜質向高空輸送，從而發生一系列天氣現象，如風、雪、雨、雲等；③氣象要素水平分佈不均勻，由於對流層受地表的影響較大，其溫度、溼度、氣壓的水平分佈很不均勻，並由此而產生一系列物理過程，形成複雜的天氣現象；④對流層受人類活動影響最顯著，人類生產活動排放的大氣汙染物絕大部分都集中在對流層中。
圖2-1 大氣圈的垂直分層
（引自劉本培等，2000）
（二）平流層（stratosphere）
平流層是從對流層頂至35～55 km高空的大氣層，其質量約佔大氣圈總質量的20%。平流層的最顯著特點是氣流以水平方向運動為主，故而得名。平流層基本不含水汽和塵埃物質，不存在對流層中的各種天氣現象。在該層的上部（30～55 km）存在多層的含臭氧層，它能吸收來自太陽的99%以上對生命有害的紫外線，所以稱它是地球生物的保護傘。平流層的溫度，最初隨高度的增加保持不變或略有上升，但升至30 km以上時，由於臭氧吸收了大量紫外線，溫度升得很快，到平流層頂時的氣溫升至-3～17 ℃。
（三）中間層（mesosphere）
自平流層頂至85 km左右高空的大氣層。由於這裡沒有臭氧吸收太陽輻射的紫外線，氣溫隨高度增大而迅速下降，至中間層頂界氣溫降到-83～-113 ℃。由於下熱上冷，再次出現空氣的垂直運動。該層的頂部已出現弱的電離現象。
（四）暖層（thermosphere）
又稱電離層（ionosphere），為從中間層頂到800 km左右的高空。該層的空氣已很稀薄，質量只佔大氣總質量的0.5%。該層的空氣質點在太陽輻射和宇宙高能粒子作用下，溫度迅速增高，再次出現隨高度上升氣溫增高的現象。據人造衛星觀測，到500 km處溫度高達1201 ℃，500 km以上溫度變化不大。同時，因紫外線及宇宙射線的作用，氧、氦被分解為原子，並處於電離狀態，按電離程度可分為幾個電離層，各層能反射不同波長的無線電波，故在遠距離短波無線電通訊方面具有重要意義。
（五）散逸層（exosphere）
也稱外逸層，位於800 km以上至2000～3000 km的高空，空氣已極為稀薄。本層是大氣圈與星際空間的過渡地帶，其溫度也隨高度的增加而升高。因離地面太遠，地球引力作用弱，空氣粒子運動速度很快，所以氣體質點不斷向外擴散。