包围地球的大气其厚度在3000千米以上，要了解未来天气、气候的变化，仅仅有地面观测资料是不够的，还必需有高空气象资料，才能对高层大气进行分析和研究。航空事业的发展更是迫切需要了解高空的气象状况，飞机的飞行高度至今还靠气压表来测量。
1749年，气象学家用风筝把温度表带上天空，最高能达到云层高度。这是最古老的、直接探测高空大气的尝试。1783年，法国人蒙哥菲尔兄弟发明了热空气球。载动物飞行试验成功后，气象学家杰佛里斯带着气压表、温度表、湿度表，乘坐热气球，第一次飞越英吉利海峡。这是人类第一次升空飞行，也是第一次对高空气象进行直接观测。1862~1866年间，英国气象学家格莱谢尔为获取高度更高的高空气象资料，不断提高热气球的飞行高度。当气球飞升到8839米的高度时，由于高空严重缺氧，他刚记下气压表上的读数就失去知觉。同气球的一位探险家也冻得四肢麻木，但他用牙齿拼命打开控制阀门，气球放气后开始缓缓下降，他们才得以生还。显然，这种靠冒生命危险来获取高空资料的做法是不可取的。随着电子技术的发展，人们在地面就能了解到高空气象状况的梦想终于实现。1927年，世界上第一部无线电探空仪飞向了天空。
如今在城市，每天早晨和傍晚，人们都能看到从气象台放出的乳白色氢气球。它随风飘向高空。气球下面挂着的那件东西，就是无线电探空仪。这个质量不到1千克的小巧玲珑的探空仪，能测量从地面到40千米高空的气象要素数值，同时把测得的结果用无线电讯号不断传递到地面接收站。
现在全球约有1000多个无线电探空站，形成一个高空观测网。这些观测站每天在统一的世界时间0时和12时定时观测两次；观测完毕后，立即把观测结果编成气象电码，发往气象中心。气象中心通过计算机把这些观测数据自动填写在高空天气图上并进行自动分析。气象工作者根据高空气象要素的变化，就可以对未来天气形势做出较为可靠的预报。科学研究、监测环境污染、飞机航线的安全保证和国防建设如导弹试验、炮兵射击等许多方面，都离不开高空气象资料。在国际上，各国之间还要及时地进行高空资料交换。
从无线电探空仪发射来的讯号证实：空气温度是随高度增加而降低的，平均每上升100米，气温下降0.6℃。苏东坡有词道：“我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。”说明我国古人已经知道温度是随高度的升高而降低的。然而，进一步探测表明，到某一高度后，温度不再随高度改变而改变。再往上，温度反而增高，这个高度被称为对流层顶。从地面到对流层顶称？对流层。这一层大气占整个地球大气质量的80％，大气中的水汽几乎全部都集中在这一层。云、雨、雪等天气现象也都发生在这一层中，因此，它与人类的关系最为密切。
为什么对流层内温度随高度增加而降低？这是因为对流层中的空气热量主要来自地面。太阳辐射的能量大部分被地面吸收，地面变成热源，并向大气辐射热量，使上空的空气变热。越靠近地面，空气越热；越远离地？，空气受热越少，因此对流层顶温度最低。对流层顶在低纬度热带地区高度为17～18千米，在中纬度地区高度为10～12千米，在寒冷的高纬度地区只有8~9千米。由于对流层顶的高度愈高，温度愈低，因而世界上最冷的空气反而出现在全球地面温度最高的地方——赤道上空。
对流层下面热，上面冷，“头重脚轻”，空气很不稳定，容易上下翻动，造成空气对流。对流的结果，使上、下层空气均匀混合，热量、水汽和尘埃微粒等得以往上输送，从而引起各种天气现象。
对流层以上是平流层。平流层的底部存在一个约有几千米厚、温度大致相同的区域。到20千米以上，温度随高度增加而升高；到50千米左右，气温上升至0℃，这里就是平流层顶。平流层的中、下部是臭氧层。臭氧能吸收太阳紫外线，使气温增高。所以平流层不像对流层，而是温度随高度增加而上升。这一层由于很少出现上升或下沉气流，水汽含量极少，不会出现云雨现象，所以总是晴空万里，很适合喷气式飞机飞行。
整个大气层按温度结构来划分，可分为5层：对流层、平流层、中间层、热层和外逸层。
