Ze względu na zawartość pary wodnej, dokonać podziału atmosfery: na dolną, dość cienką warstwę, zawierającą parę wodną i na leżącą powyżej 10—15 km bezwodną, suchą masę powietrza, sięgającą aż do największych wysokości.
Do takiego podziału atmosfery zmuszają nas również wyniki badań nad rozkładem temperatury powietrza na dużych wysokościach. Dane te uzyskiwano dawniej za pomocą przyrządów unoszonych przez lekkie, pozbawione załogi, balony gumowe; obecnie balony takie unoszą tzw. radiosondy, które już w czasie lotu przekazują na Ziemię drogą radiową dane o ciśnieniu, temperaturze i wilgotności powietrza. Obecnie możemy badać balonami atmosferę do wysokości 40 km.
Do tych wysokości sięga zatem nasza udokumentowana znajomość rozkładu temperatury w atmosferze — wystarczająco wysoko by ujawnić zdumiewające fakty. Jest rzeczą znaną, że od powierzchni Ziemi w górę temperatura powietrza na ogół spada, gdyż inaczej nie można by wytłumaczyć trwania śniegu i lodu na szczytach górskich, nawet w strefie tropikalnej. Wprawdzie wznoszący się balon napotyka czasem cieplejsze powietrze, ale te sporadyczne przypadki nie zmieniają faktu, że w ogólności temperatura maleje z wysokością i to o 0,5—0,7° na każde 100 m wzniesienia. Atmosfera nie nagrzewa się bezpośrednio od przechodzącego przez nią promieniowania słonecznego, lecz pośrednio od dołu, od silnie nagrzewającej się powierzchni Ziemi. Wobec tego spadek temperatury ku górze, jako wynik podgrzewania atmosfery od dołu, wydawał się tak bardzo zrozumiały, że zakładano jej spadek również przy wysokościach niedostępnych dla bezpośredniej obserwacji. Wielką więc niespodzianką było stwierdzenie, że krzywe zapisu instrumentów rejestrujących nie wykazywały w ogóle nad Europą powyżej 10 km dalszego spadku temperatury. Pomiędzy 10 a 30 km temperatura zachowywała stałą wartość około —55°, powyżej 10 km stwierdzono nawet raczej tendencję do przyrostu temperatury z wysokością. W strefie tropikalnej osiągnięto warstwę powietrza o stałej temperaturze dopiero na wysokości ok. 17 km, przy czym temperatura wynosiła tam —80°, gdyż w strefie tropikalnej warstwy, w których zachodzi spadek temperatury sięgają o wiele wyżej niż u nas. Ze względu na stosunki termiczne musimy więc podzielić ziemską atmosferę w kierunku pionowym na dwie różnej grubości warstwy. W dolnej, o grubości 10—15 km, w której wraz z oddaleniem od powierzchni Ziemi maleje temperatura, a którą obecnie nazywamy troposferą, zachodzi energiczne mieszanie się powietrza, co z kolei wywołuje spadek temperatury z wysokością1. Wewnątrz troposfery zawarta jest też cała para wodna, tak że wszystkie istotne procesy pogodowe również ograniczone są do troposfery. Ponad tą warstwą, a więc zależnie od szerokości geograficznej powyżej 9—17 km leżą suche, bezchmurne masy powietrza, tzw. stratosfera. W stratosferze temperatura nie spada już z wysokością lecz raczej wzrasta, jednak sama temperatura jej jest tym niższa, im wyżej znajduje się przejście z troposfery do stratosfery (tropopauza). Ponieważ już stwierdziliśmy, że w strefie gorącej stratosfera zaczyna się znacznie wyżej niż w średnich szerokościach geograficznych, wynika z tego druga niespodzianka: Najzimniejsze masy powietrza naszej atmosfery znajdują się nie w obszarach polarnych, lecz nad równikiem i w strefie tropikalnej (najniższa zanotowana nad Batawią temperatura wynosi:—90°).