De atmosfeer van de aarde heeft vier verschillende lagen, evenals een ijle buitenlaag die zich bij afwezigheid van zonnewind tot 10.000 kilometer (6.214 mijl) van de planeet kan uitstrekken. De laagste atmosferische laag is de troposfeer, en de laag daarboven is de stratosfeer. Onder de factoren die deze als twee afzonderlijke lagen definiëren, zijn verschillen in luchtdruk, temperatuur, temperatuurgradiënt, windsnelheid en windrichting.
Een verschuivende grens
De grens tussen de troposfeer en de stratosfeer wordt de tropopauze genoemd en is niet constant. Het is ongeveer 8 kilometer (5 mijl) boven de grond bij de polen en ongeveer twee keer zo hoog op de evenaar. De tropopauze is een isotherm - een gebied met een stabiele temperatuur - waaronder al het weer op aarde plaatsvindt. De tropopauze markeert typisch de bovenste limiet van cloudactiviteit; in plaats van boven deze isotherm uit te stijgen, verspreiden grote onweerswolken zich doorgaans horizontaal in een aambeeldvorm. Bepaalde soorten wolken - parelmoer- of parelmoerwolken genoemd - vormen zich in de stratosfeer, maar meestal alleen op breedtegraden tussen 60 en 90 graden en alleen in de winter.
Temperatuurgradiënten
Weerspatronen treden op in de troposfeer omdat de lucht nabij de grond warmer is dan de lucht op grotere hoogten; dit fenomeen is een gevolg van het feit dat de grond warmte van de zon absorbeert en uitstraalt. Door deze negatieve temperatuurgradiënt ten opzichte van de hoogte kan warme lucht opstijgen en een convectiestroom creëren die wind en wolken produceert. In de stratosfeer, die zich uitstrekt tot een hoogte van ongeveer 50 kilometer (31 mijl), stijgt de temperatuur met hoogte als gevolg van het feit dat de ozonlaag in de bovenste stratosfeer zonlicht absorbeert en warmte uitstraalt naar beneden. De tropopauze is het gebied met constante temperatuur waarin de richting van de gradiënt verandert.
Windactiviteit
De neiging van warme, vochtige lucht om op te stijgen en koele lucht om te vallen in de troposfeer zorgt voor winden, wolken en neerslag. Vanwege lokale variaties in temperatuur en luchtdruk kunnen deze winden onregelmatig en soms extreem zijn. In de stratosfeer, waar de luchtdruk veel lager is en een plafond van warmere lucht verhindert convectiestromen van vorming zijn de omstandigheden stabieler. Er is hier vrijwel geen turbulentie, die wordt veroorzaakt door verticale luchtbewegingen, en de wind die er wel is, hoewel krachtig, is stabiel en waait in horizontale richting. Commerciële vliegtuigen vliegen in de lagere stratosfeer om turbulentie te voorkomen.
Stratosferische luchtdruk
De troposfeer bevat ongeveer 75 procent van de gassen in de atmosfeer en de stratosfeer, die een groter volume heeft, bevat ongeveer 19 procent van deze gassen. De luchtdruk in de stratosfeer is dienovereenkomstig lager: gemiddeld is de druk in de stratosfeer slechts ongeveer 10 procent of minder van de druk op zeeniveau. De ozonlaag, gelegen aan de bovenkant van de stratosfeer, is een van de belangrijkste kenmerken van deze atmosferische laag. Naast het creëren van een plafond van warme lucht dat de vorming van convectiestromen voorkomt, filtert het de ultraviolette straling van de zon die schadelijk zou zijn voor het leven aan de oppervlakte.