Воздушная оболочка Земли образовалась, главным образом, из газов, которые выделяются земными недрами и, в частности, вулканами. Вероятно, некоторый вклад внесло и вещество комет, особенно часто падавших на Землю в далеком прошлом. Важную роль в появлении свободного кислорода играли процессы в биосфере и, в частности, фотосинтез.
Благодаря вертикальному перемешиванию воздуха его химический состав сохраняется почти постоянным до высоты 100 км (гомосфера). В процентах ко всему объёму воздуха относительное содержание трёх основных газов таково:азот - 78,1,
кислород - 20,9,
аргон - 0,9.
По отношению к общей массе на эти газы приходится соответственно 75,5, 23,1 и 1,3 процента.
Содержание углекислого газа и паров воды, в значительной степени определяющих температурный режим, испытывает колебания. На долю углекислого газа (по объему) приходится в среднем 0,03 % (в индустриальных районах больше). На долю же паров воды приходится от 0,05 до 3 % (в среднем 0,3 %). Из-за такого сильного колебания пары воды не учитывались выше при расчёте содержания основных газов. Конденсируясь пары воды образуют жидкие и твердые осадки (дождь и снег). По всей Земле за сутки общая масса осадков составляет 1,2x1012 тонн (при массе всей атмосферы 5x1015 тонн).
В среднем по всей Земле на уровне моря температура воздуха равна +15°С, а его плотность - 1,23 кг/м3. Уже на высоте 10 км значения этих параметров соответственно равны -50°С и 0,42 кг/м3.
По характеру изменения температуры с высотой в атмосфере выделяют следующие слои:
В тропосфере температурный режим определяется, в основном, притоком тепла от нагретой Солнцем поверхности Земли. Для инфракрасного излучения с этой поверхности существует преграда в виде газов СО2 и Н2О, поглощающих соответствующую энергию (парниковый эффект).
В стратосфере воздух разогревается прямым солнечным излучением. Его коротковолновую часть интенсивно поглощает присутствующий здесь озон.
В мезосфере озона практически нет и температура здесь убывает с высотой. Вблизи температурного минимума на высотах 80-85 км иногда наблюдаются самые высокие облака - серебристые. Они полупрозрачны и увидеть их удаётся только в поздние вечерние сумерки (или в ранние утренние), когда небо достаточно тёмное, а облака на тех больших высотах освещены Солнцем. Возможно, что серебристые облака состоят из частиц, образовавшихся при распаде мелких метеорных тел. Эти частицы становятся центрами конденсации молекул Н2О (земного происхождения) в кристаллики льда. Чаще всего серебристые облака появляются в июне-июле.
В термосфере температурный режим определяется наиболее коротковолновой частью излучения Солнца, не достигающей более глубоких слоев. Здесь происходит диссоциация (распад) молекул воздуха и ионизация образовавшихся атомов. Именно здесь находится ионосфера, отражающая и преломляющая радиоизлучение. Её свойства изменяются в течение суток (от дня к ночи), так как главная причина ионизации - солнечное излучение.
На высотах 250 км и дальше длина свободного пробега частицы воздуха превышает 500 м. Здесь спутники почти не испытывают сопротивления своему движению, хотя их скорости близки к 30000 км/ч.
На ещё больших высотах, кроме гравитации, проявляется магнитное поле Земли. Благодаря ему образуются так называемые радиационные пояса, в которых протоны и электроны солнечного ветра вместо того, чтобы выпасть на Землю, совершают колебательные движения между её магнитными полюсами, рис.41.
На высотах от 100 до 700 км при взаимодействиях этих частиц с верхними слоями атмосферы возникают полярные сияния. Такое название объясняется тем, что именно вблизи магнитных полюсов частицы солнечного ветра глубже всего входят в атмосферу. Основной вклад в полярное сияние вносит излучение атомарного кислорода в линии 5577Å (зелёный свет). Обычно полярное сияние происходит в видесерии вспышек с продолжительностью каждой от 2 до 20 минут при общей длительности серии около двух часов. Полярные сияния не обязательно зеленого цвета; иногда наблюдаются красные сияния (длина волны 6300Å) и др.
Сияния сопровождаются магнитными бурями и нарушениями радиосвязи в полярных районах. Во время магнитной бури происходят колебания напряжённости магнитного поля (обычно не превышающие нескольких процентов).
Рассмотренные явления (магнитные бури, полярные сияния, нарушения радиосвязи на коротких длинах волн) учащаются в периоды максимума солнечной активности.