Аналогичными барометрическими формулами описываются также высотные зависимости плотности атмосферы и концентрации частиц n в атмосфере

Распределение температуры в атмосфере Земли является немонотонным и определяется различиями условий и механизмов нагрева и охлаждения разных слоев атмосферы. Сложное поведение температуры вызвано тем, что атмосфера Земли не находится в состоянии теплового равновесия. Поэтому на каждой высоте температуру находят из уравнений кинетики. Немонотонный высотный профиль температуры, см. рис. 2, обусловлен многообразием процессов поглощения и переноса энергии в атмосфере. Поглощение солнечного излучения зависит как от длины волны излучения, так и от состава и плотности атмосферы на разных высотах.

Принято выделять в атмосфере Земли несколько слоев: Тропосфера – до 15 км, Стратосфера – (15 – 50) км, Мезосфера – (50 – 80) км, Термосфера – (80 – 500) км, Магнитосфера – больше 500 км. Т.о., к околоземному космическому пространству относятся термосфера и магнитосфера Земли.

Атмосферные области разделены так называемыми «паузами», в пределах которых изменяется характер зависимости температуры от высоты, то есть градиент температуры меняет знак.

Два нижних слоя, тропосферу и стратосферу, объединяют в нижнюю атмосферу. Газ в нижней атмосфере состоит из молекул и нейтральных атомов. Три верхних слоя, лежащих выше 50 км над поверхностью Земли, называют верхней атмосферой. Для верхней атмосферы характерны процессы диссоциации молекул и ионизации атомов под действием солнечного излучения и космических лучей.

В трех нижних слоях земной атмосферы состояние вещества определяется, главным образом, поглощением электромагнитного излучения Солнца. Основными компонентами трех нижних слоев атмосферы являются: N ₂ – 78 %, O ₂ – 21 %, Ar – 0, 9 %, CO₂ – 0, 03 %. Область постоянного состава атмосферы до высоты ~100 км, куда попадают тропосфера, стратосфера, мезосфера и нижняя часть термосферы, называют гомосферой, а вышележащие области, где состав атмосферы меняется, – гетеросферой.

Ближайшая к земной поверхности область атмосферы – тропосфера, в которой происходит уменьшение температуры с ростом высоты. Средняя по поверхности температура в основании тропосферы 288 К. Максимум излучения поверхности Земли лежит в инфракрасной области и это излучение поглощается газами тропосферы, главным образом СО₂ и Н₂О. Т.о., тропосфера нагревается фактически снизу. Это явление называется парниковым эффектом. Поэтому температура в тропосфере падает наружу.

В тропосфере сосредоточено около 90% массы атмосферы и именно в этом атмосферном слое протекают процессы, непосредственно определяющие погодные условия на Земле: формирование и перемещение облаков, возникновение осадков и молний и т.д.

Выше тропосферы находится стратосфера. В стратосфере температура повышается. В стратосфере важной малой составляющей является озон O₃, образующий в атмосфере слой в интервале высот ~10–60 км с максимумом концентрации на высоте 20–25 км, рис.3. Образуется озон в реакциях тройного столкновения

О₂ + О + М → О₃ + М,

где М – любая другая молекула. Посторонняя молекула уносит избыток энергии, который выделяется при образовании озона. Хотя общее содержание озона в этом слое невелико, озонный слой играет очень большую роль в обеспечении защитной функции атмосферы, так как именно в нем поглощается вредное для обитателей Земли ультрафиолетовое излучение с λ = (2000 – 3200) А. Увеличение температуры в стратосфере обусловлено именно значительным энерговыделением в озонном слое в реакциях

О₃ + hν → O₂ + O

Таким образом, температура в стратосфере выше, чем в соседних слоях из-за интенсивного поглощения озоном ультрафиолетового излучения Солнца.

В мезосфере вновь происходит снижение температуры с высотой. Здесь солнечное излучение поглощается практически в том же диапазоне длин волн, что и в стратосфере, (1900 – 3200) А, но озона на высотах мезосферы нет. Поскольку в мезосфере меньше плотность вещества, то мала вероятность реакций тройного соударения, необходимых для образования озона. Поглощение излучения здесь меньше, поэтому ниже температура. Мезосфера – очень неустойчивый слой с сильными ветрами

Приведем процентный состав атмосферы для высоты 500 км: О – 86 %, N₂ – 9 %, He – 4 %, O₂ – 0.4 %, H - 0.1 %

Общая концентрация частиц на этой высоте ~ 10⁸ см^-3, тогда как в самых нижних слоя тропосферы ~ 10¹⁹ см^-3.

В термосфере температура опять растет с высотой, достигая некоторого значения, которое остается приблизительно постоянным выше 500–600 км. Это температура меняется в течение суток и в зависимости от солнечной активности. Нагревание термосферы происходит за счет поглощения коротковолнового солнечного излучения. Излучение Солнца с λ < 2000 А, не поглощается озоном, но эффективно поглощается молекулами и атомами кислорода, и молекулами азота, которые в значительном количестве присутствуют на высотах до 300–500 км. Излучение с λ < 2000 А поглощается здесь, вызывая диссоциацию молекул О₂ и N₂.

О₂ + hν → O + O

N₂ + hν → N + N

Самая верхняя часть атмосферы Земли – магнитосфера, взаимодействует с Солнцем при совершенно иных физических условиях, нежели нижние слои. Из-за малой плотности вещества магнитосферы поглощение солнечного излучения невелико. Температура и ионизация вещества, структура магнитного поля определяются воздействием солнечного ветра – потоком заряженных частиц и магнитного поля Солнца.

Температура магнитосферы, обозначаемая обычно как Т∞, сильно меняется в зависимости от уровня солнечной активности, меняются значения плотности и давления газа в магнитосфере. Значение магнитосферной температуры Т∞ = 1000 К соответствует среднему уровню Солнечной активности, а значения Т∞ = 500 К и Т∞ = 2000 К – низкому и высокому уровням.