Atmosfera ziemska składa się z czterech odrębnych warstw, a także rozrzedzonej warstwy zewnętrznej, która może rozciągać się na odległość 10 000 kilometrów (6214 mil) od planety przy braku wiatru słonecznego. Najniższą warstwą atmosferyczną jest troposfera, a tuż nad nią stratosfera. Wśród czynników, które określają je jako dwie oddzielne warstwy, są różnice w ciśnieniu powietrza, temperaturze, gradientu temperatury, prędkości i kierunku wiatru.
Zmieniająca się granica
Granica między troposferą a stratosferą nazywana jest tropopauzą i nie jest stała. Jest około 8 kilometrów (5 mil) nad ziemią na biegunach i około dwa razy więcej na równiku. Tropauza jest izotermą – regionem o stabilnej temperaturze – poniżej której zachodzi cała pogoda planety. Tropauza zazwyczaj wyznacza najwyższą granicę aktywności chmur; zamiast wznosić się ponad tę izotermę, duże chmury burzowe zazwyczaj rozpościerają się poziomo w kształcie kowadła. Pewne typy chmur – zwane perłowymi lub macicą perłową – tworzą się w stratosferze, ale zwykle tylko na szerokościach między 60 a 90 stopniami i tylko zimą.
Gradienty temperatury
W troposferze występują wzorce pogodowe, ponieważ powietrze przy ziemi jest cieplejsze niż powietrze na wyższych wysokościach; Zjawisko to wynika z tego, że grunt pochłania i promieniuje ciepło słoneczne. Z powodu tego ujemnego gradientu temperatury w zależności od wysokości, ciepłe powietrze może unosić się i tworzyć prąd konwekcyjny, który wytwarza wiatry i chmury. W stratosferze, która rozciąga się na wysokość około 50 kilometrów (31 mil), temperatura wzrasta wraz z wysokość w wyniku tego, że warstwa ozonowa w górnej stratosferze pochłania światło słoneczne i emituje ciepło zniżkowy. Tropauza to obszar o stałej temperaturze, w którym zmienia się kierunek gradientu.
Aktywność wiatru
Skłonność do unoszenia się ciepłego, wilgotnego powietrza i opadania chłodnego powietrza w troposferze powoduje wiatry, chmury i opady. Ze względu na lokalne wahania temperatury i ciśnienia powietrza wiatry te mogą być nieregularne, a czasami ekstremalne. W stratosferze, gdzie ciśnienie powietrza jest znacznie niższe, a pułap cieplejszego powietrza zapobiega prądy konwekcyjne od formowania warunki są bardziej stabilne. Praktycznie nie ma tu turbulencji spowodowanych pionowymi ruchami powietrza, a wiatry, które istnieją, choć silne, są stabilne i wieją w kierunku poziomym. Samoloty komercyjne latają w niższej stratosferze, aby uniknąć turbulencji.
Stratosferyczne ciśnienie powietrza
Troposfera zawiera około 75 procent gazów w atmosferze, a stratosfera, która ma większą objętość, zawiera około 19 procent tych gazów. Ciśnienie powietrza w stratosferze jest odpowiednio niższe: średnio ciśnienie w stratosferze wynosi tylko około 10% lub mniej ciśnienia na poziomie morza. Warstwa ozonowa, znajdująca się na szczycie stratosfery, jest jedną z najważniejszych cech tej warstwy atmosferycznej. Oprócz tworzenia sufitu z ciepłego powietrza, który zapobiega tworzeniu się prądów konwekcyjnych, filtruje promieniowanie ultrafioletowe ze słońca, które mogłoby uszkadzać życie na powierzchni.