L'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre rispetto al piano dell'orbita apparente che il Sole compie intorno alla Terra in un anno, fa sì che le zone equatoriali ricevano durante l'anno una quantità di calore dal Sole superiore a quella riemessa verso lo spazio.
Al contrario ai Poli il bilancio tra calore ricevuto e calore perso è negativo. Sulla base di queste indicazioni, si potrebbe arrivare a concludere che la temperatura media all'Equatore è in continuo aumento, mentre ai Poli è in graduale diminuzione. Invece tutto ciò non accade: la temperatura media all'Equatore o ai Poli non presenta una netta tendenza all'aumento o al calo. Questo significa che deve esistere un metodo per ridistribuire il calore che la Terra riceve dal Sole.
Gli oceani e l'atmosfera sono i due mezzi tramite i quali il calore viene trasportato dalle zone equatoriali a quelle polari.
Il primo modello che cercò di spiegare come avviene tale trasporto è noto come circolazione di Hadley, dal nome del fisico che per primo lo introdusse nel 1735. In tale modello si fa l'ipotesi di poter trascurare la rotazione terrestre, che comporta in realtà sostanziali variazioni al modello di Hadley.
Il calore assorbito dalla Terra intorno all'Equatore scalda le masse d'aria soprastanti, le quali, dilatandosi, diventano meno dense, più leggere e salgono verso le alte quote della troposfera. Questa risalita d'aria genera alle basse quote una zona di bassa pressione, mentre in quota l'apporto di aria dagli strati sottostanti crea una zona di alta pressione.
Ai Poli invece il bilancio termico negativo genera un raffreddamento dell'aria che, più densa, si porta dagli strati superiori, dove si crea una zona di bassa pressione, verso il suolo, dove al contrario si genera un'alta pressione. Quindi al suolo masse d'aria fredda vengono spinte dall'alta pressione polare verso la bassa pressione equatoriale, mentre in quota aria calda viene spinta dalle alte pressioni equatoriali verso le basse pressioni polari. Questo modello teorico è sì in grado di spiegare la ridistribuzione del calore, ma non rispecchia ciò che accade nella realtà, dove non si osserva una circolazione delle masse d'aria tra i Poli e l'Equatore lungo i meridiani, come descritto. La rotazione terrestre ha infatti l'effetto di deviare verso destra le masse d'aria in movimento nell'Emisfero Boreale e verso sinistra quelle nell'Emisfero Australe (in fisica questa spinta verso destra o sinistra prende il nome di forza di Coriolis).
La deviazione delle masse d'aria dà all'atmosfera terrestre una dinamica differente da quella prevista da Hadley, dinamica che va sotto il nome di circolazione generale dell'atmosfera. Così le masse d'aria, dopo essere salite in quota all'Equatore, non riescono ad arrivare fino ai Poli: intorno ai 30° di latitudine riscendono verso il suolo, dando origine a una fascia di alte pressioni subtropicali, in corrispondenza delle quali si trovano i deserti più estesi del pianeta. Intorno ai 60° gradi di latitudine si trova invece una fascia di basse pressioni, dove l'aria sale fino alle quote superiori, per poi raggiungere i Poli.
A questa fascia di basse pressioni appartiene ad esempio il Ciclone d'Islanda, che è tra i principali responsabili delle condizioni meteorologiche sull'Europa. Questo modello, che rispetto al quello di Hadley trova effettivamente riscontro nelle osservazioni, non va però inteso come immobile: quella descritta è solo una situazione media. Non è infatti raro che il Ciclone d'Islanda si spinga con profonde saccature fino alle latitudini del Mediterraneo o che l'Anticiclone delle Azzorre raggiunga le isole britanniche.
L' atmosfera non è altro che l'ivolucro gassoso che ricopre la Terra e si estende in altezza per centinaia di chilometri e rappresenta una protezione al nostro pianeta moderandone la temperatura e schermando le radiazioni e le particelle dannose provenienti dallo spazio esterno.
La densità dell'aria che costituisce l'atmosfera non è uniforme, ma diviene sempre meno densa quanto più si sale in quota. Il 99% dell'aria è compresa nelle quote inferiori ai 32 Km, mentre solo il rimanente 1% è distribuito nelle centinaia di chilometri della fascia superiore.
In uno schema semplificato essa può essere suddivisa in cinque strati: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera.
La Troposfera è lo strato d'aria in cui viviamo. Il termine " Troposfera " significa "sfera della turbolenza", poiché i principali fenomeni meteorologici e tutte le tempeste grandi e modeste avvengono in questo strato. In essa la temperatura diminuisce regolarmente con l'altezza secondo un gradiente termico che in media vale 0,6 °C ogni 100 m di ascesa. Il motivo di questa diminuzione è dato dal fatto che l'aria è sostanzialmente trasparente alla radiazione solare visibile e non viene riscaldata dall'alto direttamente dai raggi solari, ma dal basso, grazie al calore emesso dal suolo e dalle acque superficiali riscaldati a loro volta dal Sole. La distribuzione verso l'alto del calore avviene ad opera di correnti convettive: l'aria calda si solleva lasciando il posto a quella fredda che tende a spostarsi verso il basso.
Il cielo della troposfera appare blu perché l'aria e le particelle di polvere che vi si trovano diffondono la luce bianca del Sole in maniera da deviare verso la nostra linea visiva le radiazioni azzurre. Il ciclo blu, però, non si estende in profondità nello spazio, ma costituisce, insieme alle nuvole, un fenomeno che si produce solo nella troposfera.
Nella porzione più alta di questo strato si muovono, ad elevate velocità, venti che prendono nome di "correnti a getto".
L'altezza della troposfera varia da 16 Km all'equatore a poco più di 8 Km ai poli; nelle latitudini intermedie si aggira sugli 11-12 Km. Al limite superiore della troposfera, definita con il termine di tropopausa, la temperatura, che raggiunge i 60 °C sotto lo zero, cessa improvvisamente di scendere con l ' aumentare dell'altitudine, qui ha inizio la stratosfera.
La stratosfera si estende fino ad una quota di circa 50 Km sul livello del mare. In essa l'aria è pressoché priva di umidità e senza nubi; i venti diminuiscono con l'aumentare dell'altitudine e non vi sono correnti ascendenti e discendenti o tempeste. La temperatura si mantiene intorno ai -60 °C fino ad una altezza di 22-23 Km, qui comincia ad aumentare giungendo a 0 °C alla quota di 50 Km che delimita la parte superiore della Stratosfera e che prende il nome di Stratopausa. Nella stratosfera, ad una altezza di 35 Km, c'è una molecola particolare dell'ossigeno, l'ozono (l'ossigeno presente nell'aria che respiriamo ha una molecola costituita da due atomi, O2 , mentre quello dell'ozono ne presenta 3, O3). La fascia di ozono assorbe la maggior parte della radiazione ultravioletta proveniente dal Sole; in seguito a ciò essa si riscalda, riscaldando a sua volta la parte di atmosfera più vicina. L'ozono protegge, perciò, gli organismi viventi dell'azione letale che avrebbero queste radiazioni se riuscissero a raggiungere indisturbate la superficie terrestre. Una parte, però, vi giunge ugualmente e ad essa si deve l'abbronzatura della pelle, la prevenzione del rachitismo e l'uccisione dei batteri.
La mesosfera (sfera intermedia) si estende dalla stratopausa fino a circa 80 Km. In essa la temperatura diminuisce con l'altezza fino a toccare valori bassissimi di circa 90° sotto zero a livello della mesopausa, quindi la termosfera.
La fascia superiore della mesosfera, la Termosfera (sfera del calore) si estende da 80 a circa 570 Km sul livello del mare. Essa è così chiamata perché la temperatura vi aumenta rapidamente con l'altezza e al di sopra di 200 Km subisce ampie variazioni in rapporto all'attività solare, passando da valori di circa 60 °C, quando il Sole è in quiete, a valori oltre tre volte superiori nei periodi di massima attività solare, toccando anche i 2000 °C.
Nella termosfera vi è uno strato, la cui posizione cambia, spostandosi più in alto o più in basso sotto l'effetto del Sole, detto ionosfera (sfera elettricamente carica). In essa le molecole dell'aria assorbono i raggi X ed i raggi ultravioletti provenienti dal Sole caricandosi elettricamente, ossia diventano ioni. La ionosfera è importante nelle comunicazioni radio perché i suoi ioni riflettono verso la terra le onde radio consentendo loro di viaggiarvi intorno. Gli spettacoli delle aurore boreali ed australi hanno origine nella ionosfera: in essa le particelle cariche emesse dal suolo colpiscono gli atomi e le molecole della ionosfera facendoli diventare luminosi.
Nella termosfera l'aria è estremamente rarefatta, circa 10 milioni di volte più rarefatta di quella al livello del mare, ma nonostante ciò offre un attrito sufficiente a polverizzare la maggior parte dei meteoroidi che vi entrano, facendo da schermo di protezione alla terra.
L 'esosfera comincia ai limiti della termosfera e si estende per migliaia di chilometri, sfumando via via. L'aria è così rarefatta che le molecole possono percorrere enormi distanze senza urtarsi fra loroL' atmosfera non è altro che l'ivolucro gassoso che ricopre la Terra e si estende in altezza per centinaia di chilometri, sfumando nello spazio, e rappresenta una cortina che protegge il nostro pianeta moderandone la temperatura e schermando le radiazioni e le particelle dannose provenienti dallo spazio esterno.
La densità dell'aria che costituisce l'atmosfera non è uniforme, ma diviene sempre meno densa quanto più si sale in quota. Il 99% dell'aria è compresa nelle quote inferiori ai 32 Km, mentre solo il rimanente 1% è distribuito nelle centinaia di chilometri della fascia superiore. Nell'intento di mettere in rilievo le differenze di temperatura, composizione chimica, pressione ed altre proprietà, tipiche delle diverse quote, l'atmosfera viene suddivisa in vari strati sovrapposti. In uno schema semplificato essa può essere suddivisa in cinque strati: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera.