غلاف الأرض الجوي

الغلاف الخارجي هو الطبقة الخارجية للغلاف الجوي للأرض (مع أنه رقيق للغاية لدرجة أن بعض العلماء يعتبرونه جزءًا من الفضاء بين الكواكب وليس جزءًا من الغلاف الجوي). يمتد من الحد الحراري (المعروف أيضًا باسم "قاعدة الغلاف الخارجي") في أعلى الغلاف الحراري إلى حدود غير واضحة المعالم مع الرياح الشمسية والوسط بين الكواكب . يتراوح ارتفاع قاعدة الغلاف الخارجي من حوالي 500 كيلومتر (310 أميال؛ 1,600,000 قدم) إلى حوالي 1000 كيلومتر (620 ميلًا) في أوقات ارتفاع الإشعاع الشمسي الوارد. ^{[ 31 ]}   

يختلف الحد الأعلى تبعًا للتعريف. إذ تعتبره جهات مختلفة ينتهي عند حوالي 10,000 كيلومتر (6,200 ميل) ^{[ 32 ]} أو حوالي 190,000 كيلومتر (120,000 ميل) - أي ما يقارب منتصف المسافة إلى القمر، حيث يكون تأثير جاذبية الأرض مساويًا تقريبًا لضغط الإشعاع من ضوء الشمس. ^{[ 31 ]} أما الهالة الأرضية المرئية في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (الناتجة عن الهيدروجين المتعادل) فتمتد إلى 100,000 كيلومتر (62,000 ميل) على الأقل . ^{[ 31 ]}   

تتكون هذه الطبقة بشكل رئيسي من كثافات منخفضة للغاية من الهيدروجين، مع كميات محدودة من الهيليوم وثاني أكسيد الكربون والأكسجين الوليد بالقرب من قاعدة الغلاف الخارجي. ^{[ 33 ]} تتباعد الذرات والجزيئات عن بعضها البعض لدرجة أنها تستطيع قطع مئات الكيلومترات دون أن تصطدم ببعضها. ^{[ 25 ] : 14-14.} وبالتالي، لم يعد الغلاف الخارجي يتصرف كغاز، وتهرب الجسيمات باستمرار إلى الفضاء . تتبع هذه الجسيمات المتحركة بحرية مسارات باليستية ، وقد تهاجر داخل وخارج الغلاف المغناطيسي أو الرياح الشمسية. في كل ثانية، تفقد الأرض حوالي 3 كيلوغرامات من الهيدروجين، و50 غرامًا من الهيليوم، وكميات أقل بكثير من المكونات الأخرى. ^{[ 34 ]}  

تقع طبقة الغلاف الخارجي على ارتفاع شاهق فوق سطح الأرض بحيث يستحيل حدوث الظواهر الجوية . وتحتوي هذه الطبقة على العديد من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض. ^{[ 35 ]}

الغلاف الحراري هو ثاني أعلى طبقات الغلاف الجوي للأرض. يمتد من الميزوبوز (الذي يفصله عن الميزوسفير) على ارتفاع حوالي 80 كيلومترًا (50 ميلًا) وصولًا إلى الثيرموبوز على ارتفاع يتراوح بين 500 و1000 كيلومتر (310-620 ميلًا) . يتغير ارتفاع الثيرموبوز بشكل كبير نتيجة لتغيرات النشاط الشمسي. ^{[ 29 ]} يُحدث مرور خط الفصل بين الليل والنهار عند الغسق والفجر اضطرابات في كثافة الخلفية تصل إلى الضعف عبر هذه الطبقة، مما يشكل سمة بارزة في هذه المنطقة. ^{[ 36 ]} ولأن الثيرموبوز يقع عند الحد السفلي للغلاف الخارجي، يُشار إليه أيضًا باسم قاعدة الغلاف الخارجي . يتداخل الغلاف الأيوني مع الغلاف الحراري، على ارتفاع يتراوح بين 50 و600 كيلومتر (31 إلى 373 ميلًا) فوق سطح الأرض، وهو منطقة ذات كثافة بلازما عالية . ^{[ 37 ] [ 38 ]}     

ترتفع درجة حرارة الغلاف الحراري تدريجيًا مع الارتفاع، وقد تصل إلى 1500 درجة مئوية (2700 درجة فهرنهايت) ، إلا أن جزيئات الغاز متباعدة جدًا لدرجة أن قياس درجة حرارته بالمعنى المعتاد لا يُعدّ ذا دلالة كبيرة. ويعود سبب هذا الارتفاع في درجة الحرارة إلى امتصاص الأشعة فوق البنفسجية المؤينة وأشعة إكس المنبعثة من الشمس. ^{[ 38 ] [ 39 ]} ويُعدّ الهواء في الغلاف الحراري رقيقًا جدًا لدرجة أن جزيء الأكسجين ، على سبيل المثال، يقطع مسافة كيلومتر واحد (0.62 ميل؛ 3300 قدم) في المتوسط ​​بين كل تصادم وآخر. ^{[ 40 ]} وعلى الرغم من احتواء الغلاف الحراري على نسبة عالية من الجزيئات ذات الطاقة العالية، إلا أنه لا يُشعَر بالحرارة عند ملامسته للإنسان مباشرةً، لأن كثافته منخفضة جدًا بحيث لا تسمح بنقل كمية كبيرة من الطاقة من أو إلى الجلد. ^{[ 38 ]}    

هذه الطبقة خالية تمامًا من السحب وبخار الماء. مع ذلك، تُشاهد أحيانًا ظواهر غير هيدرومترولوجية، مثل الشفق القطبي الشمالي والجنوبي ، في الغلاف الحراري على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر (62 ميلًا) . ^{[ 41 ]} ترتبط ألوان الشفق القطبي بخصائص الغلاف الجوي عند الارتفاع الذي يحدث فيه. وأكثرها شيوعًا هو الشفق الأخضر، الذي ينشأ من الأكسجين الذري في الحالة ^1S ، ويحدث على ارتفاعات تتراوح بين 120 و400 كيلومتر (75 إلى 250 ميلًا) . ^{[ 42 ]} تدور محطة الفضاء الدولية في الغلاف الحراري، بين 370 و460 كيلومترًا (230 و290 ميلًا) . ^{[ 43 ]} وفي هذه الطبقة تحديدًا تتواجد العديد من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض. ^{[ 35 ]}      

الميزوسفير هي ثالث أعلى طبقات الغلاف الجوي للأرض، وتشغل المنطقة الواقعة فوق الستراتوسفير وتحت الثيرموسفير. تمتد من الستراتوبوز على ارتفاع حوالي 50 كيلومترًا (31 ميلًا) إلى الميزوبوز على ارتفاع 80-85 كيلومترًا (50-53 ميلًا) فوق مستوى سطح البحر. ^{[ 38 ]} تنخفض درجات الحرارة مع ازدياد الارتفاع وصولًا إلى الميزوبوز التي تُمثل قمة هذه الطبقة الوسطى من الغلاف الجوي. وهي أبرد مكان على وجه الأرض، حيث يبلغ متوسط ​​درجة حرارتها حوالي -85 درجة مئوية (-120 درجة فهرنهايت ؛ 190 كلفن ) . ^{[ 44 ] [ 45 ]} ولأن الغلاف الجوي يمتص الموجات الصوتية بمعدل يتناسب طرديًا مع مربع التردد ، فإن الأصوات المسموعة من الأرض لا تصل إلى الميزوسفير. يمكن للموجات تحت الصوتية الوصول إلى هذا الارتفاع، ولكن يصعب بثها بمستوى طاقة عالٍ. ^{[ 46 ]}       

أسفل طبقة الميزوبوز مباشرةً، يكون الهواء باردًا جدًا لدرجة أن بخار الماء النادر جدًا في هذا الارتفاع يتكثف مكونًا سحبًا ليلية متلألئة من جزيئات الجليد في طبقة الميزوسفير القطبية. هذه السحب هي الأعلى في الغلاف الجوي، ويمكن رؤيتها بالعين المجردة إذا انعكس ضوء الشمس عنها بعد ساعة أو ساعتين من غروب الشمس، أو قبل شروقها بساعة أو ساعتين تقريبًا. وتكون أكثر وضوحًا عندما تكون الشمس على بعد حوالي 4 إلى 16 درجة تحت الأفق. ^{[ 47 ]}

تتشكل أحيانًا تفريغات ناتجة عن البرق، تُعرف باسم الأحداث الضوئية العابرة (TLEs)، في طبقة الميزوسفير فوق السحب الرعدية في طبقة التروبوسفير . ^{[ 48 ]} كما تُعد طبقة الميزوسفير الطبقة التي تحترق فيها معظم النيازك والأقمار الصناعية عند دخولها الغلاف الجوي . ^{[ 38 ] [ 49 ]} وهي مرتفعة جدًا فوق سطح الأرض بحيث لا يمكن الوصول إليها بواسطة الطائرات النفاثة والمناطيد، ومنخفضة جدًا بحيث لا تسمح بمرور المركبات الفضائية المدارية. ويتم الوصول إلى طبقة الميزوسفير بشكل رئيسي بواسطة صواريخ السبر والطائرات التي تعمل بالصواريخ . ^{[ 50 ]}

الستراتوسفير هي ثاني أدنى طبقة في الغلاف الجوي للأرض. تقع فوق التروبوسفير ويفصلها عنها التروبوبوز . تمتد هذه الطبقة من أعلى التروبوسفير على ارتفاع 12 كيلومترًا تقريبًا (7.5 ميل) فوق سطح الأرض إلى الستراتوبوز على ارتفاع يتراوح بين 50 و55 كيلومترًا (31 إلى 34 ميلًا) . ^{[ 26 ]} يقع 99% من إجمالي كتلة الغلاف الجوي تحت 30 كيلومترًا (19 ميلًا) ، ^{[ 51 ]} ويبلغ الضغط الجوي في أعلى الستراتوسفير حوالي 1/1000 من الضغط عند مستوى سطح البحر . ^{[ 52 ]} تحتوي الستراتوسفير على طبقة الأوزون ، وهي الجزء من الغلاف الجوي للأرض الذي يحتوي على تركيزات عالية نسبيًا من هذا الغاز. ^{[ 53 ]}      

تُعرّف طبقة الستراتوسفير بأنها طبقة ترتفع فيها درجات الحرارة مع ازدياد الارتفاع. ويعود هذا الارتفاع في درجة الحرارة إلى امتصاص طبقة الأوزون للأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس، مما يحدّ من الاضطرابات والاختلاط. ورغم أن درجة الحرارة قد تصل إلى -80 درجة مئوية (-110 درجة فهرنهايت؛ 190 كلفن) عند التروبوبوز، فإن قمة الستراتوسفير تكون أكثر دفئًا بكثير، وقد تصل إلى ما دون الصفر المئوي بقليل. ^{[ 54 ] [ 53 ]} وتتميز هذه الطبقة بوجودها على كوكب الأرض فقط؛ إذ لا يمتلك المريخ ولا الزهرة طبقة ستراتوسفير بسبب انخفاض نسبة الأكسجين في غلافهما الجوي. ^{[ 55 ]}    

يُسهم التوزيع الحراري في طبقة الستراتوسفير في خلق ظروف جوية مستقرة للغاية، لذا تفتقر هذه الطبقة إلى الاضطرابات الجوية المُسببة للظواهر الجوية، والتي تنتشر بكثرة في طبقة التروبوسفير. ونتيجةً لذلك، تكاد طبقة الستراتوسفير تخلو تمامًا من السحب وغيرها من أشكال الطقس. ^{[ 53 ]} ومع ذلك، تُشاهد أحيانًا السحب الستراتوسفيرية القطبية أو السحب الصدفية في الجزء السفلي من هذه الطبقة من الغلاف الجوي حيث يكون الهواء في أبرد حالاته. ^{[ 56 ]} وتُعد طبقة الستراتوسفير أعلى طبقة يمكن الوصول إليها بواسطة الطائرات النفاثة . ^{[ 57 ]}

التروبوسفير هي الطبقة السفلى من الغلاف الجوي للأرض. تمتد من سطح الأرض إلى ارتفاع متوسط ​​يبلغ حوالي 12 كيلومترًا (7.5 ميل) ، مع العلم أن هذا الارتفاع يتفاوت من حوالي 9 كيلومترات (5.6 ميل) عند القطبين الجغرافيين إلى 17 كيلومترًا (11 ميلًا) عند خط الاستواء ، ^{[ 30 ]} مع بعض التباين الناتج عن الأحوال الجوية. يحد التروبوسفير من الأعلى التروبوبوز ، وهو حد فاصل يتميز في معظم الأماكن بانعكاس حراري (أي طبقة من الهواء الدافئ نسبيًا فوق طبقة أبرد)، وفي أماكن أخرى بمنطقة متساوية الحرارة مع الارتفاع. ^{[ 58 ] [ 59 ]}      

على الرغم من وجود بعض الاختلافات، تنخفض درجة الحرارة عادةً مع ازدياد الارتفاع في طبقة التروبوسفير، لأن تسخينها يتم في الغالب عن طريق انتقال الطاقة من سطح الأرض. ولذلك، فإن الجزء السفلي من التروبوسفير (أي سطح الأرض) هو عادةً الجزء الأكثر دفئًا. وهذا يُعزز الاختلاط الرأسي (ومن هنا جاء اسمها من الكلمة اليونانية τρόπος، tropos ، والتي تعني "دوران"). ^{[ 60 ]} تحتوي طبقة التروبوسفير على ما يقارب 80% من كتلة الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 61 ]} وتتميز التروبوسفير بكثافتها العالية مقارنةً بجميع الطبقات التي تعلوها، وذلك لأن وزنًا جويًا أكبر يقع فوقها، مما يؤدي إلى انضغاطها بشكل أكبر. ويقع 50% من إجمالي كتلة الغلاف الجوي في الطبقة السفلى من التروبوسفير، والتي يصل ارتفاعها إلى 5.5 كيلومتر (3.4 ميل) . ^{[ 51 ]}  

يوجد معظم بخار الماء أو الرطوبة في الغلاف الجوي في طبقة التروبوسفير، لذا فهي الطبقة التي تحدث فيها معظم الظواهر الجوية على الأرض. تقل قدرة الغلاف الجوي على الاحتفاظ بالماء مع انخفاض درجة الحرارة، لذا يُحتجز 90% من بخار الماء في الجزء السفلي من التروبوسفير. ^{[ 62 ]} تحتوي هذه الطبقة على جميع أنواع السحب المرتبطة بالطقس والتي تتولد بفعل دوران الرياح النشط، على الرغم من أن السحب الركامية الرعدية الشاهقة جدًا يمكنها اختراق التروبوبوز من الأسفل والارتفاع إلى الجزء السفلي من الستراتوسفير. ^{[ 63 ]} تجري معظم أنشطة الطيران التقليدية في التروبوسفير، وهي الطبقة الوحيدة التي يمكن للطائرات ذات المحركات المروحية الوصول إليها . ^{[ 57 ]} تتشكل آثار التكثيف من انبعاث الماء من محركات الطائرات النفاثة على ارتفاعات تبلغ فيها درجة حرارة الغلاف الجوي حوالي -53 درجة مئوية (-63 درجة فهرنهايت) ؛ وعادةً ما تكون حوالي 7.7 كيلومتر (4.8 ميل) للمحركات الحديثة. ^{[ 64 ]}    

ضمن الطبقات الرئيسية الخمس المذكورة أعلاه، والتي تتحدد إلى حد كبير بدرجة الحرارة، يمكن تمييز عدة طبقات ثانوية بخصائص أخرى:

• تقع طبقة الأوزون ضمن طبقة الستراتوسفير. في هذه الطبقة، يصل تركيز الأوزون إلى ذروته عند 15 جزءًا في المليون على ارتفاع 32 كيلومترًا (20 ميلًا) ، وهو أعلى بكثير من تركيزه في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي، ولكنه لا يزال ضئيلًا جدًا مقارنةً بالمكونات الرئيسية للغلاف الجوي. ^{[ 65 ]} تتركز طبقة الأوزون بشكل أساسي في الجزء السفلي من الستراتوسفير، على ارتفاع يتراوح بين 15 و35 كيلومترًا (9.3 و21.7 ميلًا) ، ^{[ 5 ] : 260،} على الرغم من أن سمكها يختلف باختلاف الفصول والمناطق الجغرافية. يوجد حوالي 90% من الأوزون الموجود في الغلاف الجوي للأرض في طبقة الستراتوسفير. ^{[ 66 ]}    
• الأيونوسفير منطقة من الغلاف الجوي تتأين بفعل الإشعاع الشمسي، وتلعب دورًا هامًا في ظاهرة الشفق القطبي ، والتوهج الجوي ، وظواهر الطقس الفضائي . ^{[ 67 ] [ 68 ]} خلال ساعات النهار، يمتد الأيونوسفير من 50 إلى 1000 كيلومتر (31 إلى 621 ميلًا) ، ويشمل الميزوسفير، والثرموسفير، وأجزاء من الإكسوسفير. مع ذلك، يتوقف التأين في الميزوسفير إلى حد كبير خلال الليل. ^{[ 69 ]} يشكل الأيونوسفير الحافة الداخلية للبلازماسفير - الغلاف المغناطيسي الداخلي . ^{[ 70 ]} وله أهمية عملية لأنه يؤثر، على سبيل المثال، على انتشار الموجات الراديوية على الأرض. ^{[ 71 ]}  
• يُعرَّف الغلاف الجوي المتجانس والغلاف الجوي غير المتجانس بمدى تجانس الغازات الجوية. يشمل الغلاف الجوي المتجانس السطحي طبقات التروبوسفير والستراتوسفير والميزوسفير، بالإضافة إلى الجزء السفلي من الثيرموسفير، حيث لا يعتمد التركيب الكيميائي للغلاف الجوي على الوزن الجزيئي نظرًا لاختلاط الغازات بفعل الاضطراب. ^{[ 72 ]} تنتهي هذه الطبقة المتجانسة نسبيًا عند حد التوربوباوز، الذي يقع على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر (62 ميلًا؛ 330,000 قدم) ، ^{[ 23 ]} وهو الحد الأقصى للفضاء نفسه وفقًا لتصنيف معهد الفيزياء الفلكية (FAI )، الذي يضعه على ارتفاع حوالي 20 كيلومترًا (12 ميلًا؛ 66,000 قدم) فوق الميزوبوز.      

فوق هذا الارتفاع تقع طبقة الغلاف الجوي غير المتجانس، والتي تشمل الغلاف الخارجي ومعظم الغلاف الحراري. هنا، يختلف التركيب الكيميائي باختلاف الارتفاع. ويعود ذلك إلى أن المسافة التي يمكن أن تقطعها الجسيمات دون أن تصطدم ببعضها كبيرة مقارنةً بحجم الحركات التي تُسبب الاختلاط. وهذا يسمح للغازات بالتصنيف حسب الوزن الجزيئي، ^{[ 23 ]} حيث توجد الغازات الأثقل، مثل الأكسجين والنيتروجين، فقط بالقرب من أسفل طبقة الغلاف الجوي غير المتجانس. أما الجزء العلوي من هذه الطبقة فيتكون بالكامل تقريبًا من الهيدروجين، وهو أخف العناصر. ^{[ 73 ]}

• تُعدّ طبقة الحدود الكوكبية الجزء الأقرب إلى سطح الأرض من طبقة التروبوسفير، وتتأثر به بشكل مباشر، لا سيما من خلال الانتشار المضطرب . وخلال النهار، تكون طبقة الحدود الكوكبية عادةً مختلطة جيدًا، بينما تصبح ليلًا ذات طبقات مستقرة مع اختلاط ضعيف أو متقطع. ويتراوح عمق طبقة الحدود الكوكبية من حوالي 100 متر (330 قدمًا) في الليالي الصافية الهادئة إلى 1000-1500 متر (3300-4900 قدم) أو أكثر خلال فترة ما بعد الظهر. ^{[ 74 ]}   
• الباروسفير هي المنطقة من الغلاف الجوي التي ينطبق عليها قانون الضغط الجوي . وتمتد من سطح الأرض إلى الحد الحراري. وفوق هذا الارتفاع، يكون توزيع السرعة غير ماكسويلي بسبب قدرة الذرات والجزيئات ذات السرعة العالية على الإفلات من الغلاف الجوي. ^{[ 75 ]}
• طبقة الصوديوم المتقطعة هي مستوى متقطع من ذرات الصوديوم المتعادلة ، وعادة ما تقع ضمن نطاق ارتفاع يتراوح بين 80 و105 كيلومترات (50-65 ميلاً) فوق مستوى سطح البحر ، ويبلغ عمقها حوالي 5 كيلومترات (3.1 ميلاً) . ^{[ 76 ]}    

يبلغ متوسط ​​درجة حرارة الغلاف الجوي على سطح الأرض 14 درجة مئوية (57 درجة فهرنهايت؛ 287 كلفن) ^{[ 77 ]} أو 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت؛ 288 كلفن) ^{[ 78 ]} ، وذلك بحسب المرجع. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]}      

يُعرّف الغلاف الجوي القياسي الدولي متوسط ​​الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر بأنه 101325 باسكال (760.00 تور ؛ 14.6959 رطل/بوصة مربعة ^؛ 760.00 ملم زئبق ) . ^{[ 5 ] : 257} ويُشار إليه أحيانًا بوحدة الضغط الجوي القياسي (atm) . تبلغ الكتلة الإجمالية للغلاف الجوي 5.1480 × 10¹⁸ كجم (1.13494 × 10¹⁹ ^رطل ) ، ^{[ 83 ]} أي أقل بنحو 2.5% مما يُستنتج من متوسط ​​الضغط عند مستوى سطح البحر ومساحة الأرض البالغة 51007.2 ميجا هكتار ، ^{[ 5 ] : 240} حيث تُزاح هذه النسبة بفعل التضاريس الجبلية للأرض. الضغط الجوي هو الوزن الإجمالي للهواء فوق وحدة المساحة عند النقطة التي يُقاس عندها الضغط. وبالتالي، يختلف الضغط الجوي باختلاف الموقع والطقس .     

ينخفض ​​ضغط الهواء بشكل أُسّي مع الارتفاع بمعدل يعتمد على درجة حرارة الهواء. ويُحدد معدل الانخفاض بواسطة مُعامل يعتمد على درجة الحرارة يُسمى ارتفاع المقياس : فمع كل زيادة في الارتفاع بمقدار هذا الارتفاع، ينخفض ​​الضغط بمعامل e (أساس اللوغاريتمات الطبيعية ، حوالي 2.718). وبالنسبة للأرض، تكون هذه القيمة عادةًيتراوح ارتفاع الغلاف الجوي بين 5.5 و 6  كيلومترات حتى ارتفاع 80 كيلومترًا تقريبًا (50 ميلًا) . ^{[ 84 ]} ومع ذلك، يُنمذج الغلاف الجوي بدقة أكبر باستخدام معادلة مُخصصة لكل طبقة، تأخذ في الحسبان تدرجات درجة الحرارة والتركيب الجزيئي والإشعاع الشمسي والجاذبية. عند ارتفاعات تزيد عن 100 كيلومتر، لا يكون الغلاف الجوي مختلطًا جيدًا، لذا فإن لكل نوع كيميائي ارتفاعه الخاص.    يتراوح الارتفاع الإجمالي للمقياس بين 200 و 300 كيلومترمن 20 إلى 30  كم . ^{[ 84 ]}

تتوزع كتلة الغلاف الجوي للأرض تقريبًا على النحو التالي: ^{[ 85 ]}

• 50% منها تقع تحت 5.6 كم (18000 قدم)  
• 90% منها تقع على ارتفاع أقل من 16 كيلومترًا (52000 قدم).  
• تقع نسبة 99.99997% تحت خط كارمان ، وهو ما يُعرف بـ 100 كيلومتر (62 ميلاً؛ 330,000 قدم) . ووفقًا للاتفاقية الدولية، يُمثل هذا بداية الفضاء الذي يُعتبر فيه المسافرون من البشر رواد فضاء .   

بالمقارنة، تقع قمة جبل إيفرست على ارتفاع 8848 مترًا (29029 قدمًا) ؛ وعادة ما تحلق الطائرات التجارية على ارتفاع يتراوح بين 9 و12 كيلومترًا (30000 و38000 قدمًا) ، ^{[ 86 ]} حيث تعمل الكثافة المنخفضة ودرجة حرارة الهواء المنخفضة على تحسين كفاءة استهلاك الوقود؛ وتصل بالونات الأرصاد الجوية إلى حوالي 35 كيلومترًا (115000 قدمًا) ؛ ^{[ 87 ]} ووصلت أعلى رحلة لطائرة X-15 في عام 1963 إلى 108.0 كيلومترًا (354300 قدمًا) .        

حتى فوق خط كارمان، لا تزال تحدث تأثيرات جوية كبيرة مثل الشفق القطبي . ^{[ 41 ]} تبدأ النيازك بالتوهج في هذه المنطقة، ^{[ 38 ]} مع أن النيازك الأكبر حجمًا قد لا تحترق إلا بعد اختراقها أعماقًا أكبر. تبدأ طبقات الغلاف الأيوني للأرض ، المهمة لانتشار موجات الراديو عالية التردد ، تحت 100  كيلومتر وتمتد إلى ما بعد 500  كيلومتر. بالمقارنة، تدور محطة الفضاء الدولية  عادةً على ارتفاع 370-460 كيلومترًا، ^{[ 43 ]} ضمن طبقة F من الغلاف الأيوني، ^{[ 5 ] : 271} حيث تواجه مقاومة جوية كافية تتطلب إعادة رفع مدارها كل بضعة أشهر، وإلا سيحدث تدهور مداري ، مما يؤدي إلى عودتها إلى الأرض. ^{[ 43 ]} اعتمادًا على النشاط الشمسي، يمكن أن تتعرض الأقمار الصناعية لمقاومة جوية ملحوظة على ارتفاعات تصل إلى 600-800  كيلومتر. ^{[ 88 ]}

تبدأ درجة الحرارة بالانخفاض مع الارتفاع من مستوى سطح البحر حتى تصل إلى طبقة الستراتوسفير على ارتفاع حوالي 11  كيلومترًا. وفوق ذلك، تستقر درجة الحرارة على امتداد مسافة رأسية كبيرة. بدءًا من ارتفاع يزيد عن 20  كيلومترًا تقريبًا، ترتفع درجة الحرارة مع الارتفاع، نتيجة التسخين داخل طبقة الأوزون بسبب امتصاص جزيئات الأكسجين وغاز الأوزون في هذه المنطقة لكمية كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس . وتظهر منطقة ثانية ترتفع فيها درجة الحرارة مع الارتفاع على ارتفاعات شاهقة جدًا، في طبقة الثيرموسفير التي يزيد ارتفاعها عن 90 كيلومترًا. ^{[ 38 ]} 

خلال الليل، تشع الأرض طاقة أكثر مما تكتسبه من الغلاف الجوي. ومع انتقال الطاقة من الغلاف الجوي القريب إلى الأرض الأكثر برودة، يحدث انقلاب حراري حيث ترتفع درجة الحرارة المحلية مع الارتفاع حتى حوالي 1000  متر. ^{[ 89 ]}

تبلغ كثافة الهواء عند مستوى سطح البحر حوالي 1.29  كجم/م³ ⁽ 1.29  جم/لتر، 0.00129 جم/سم³ ⁾ . ^{[ 5 ] : 257} لا تُقاس الكثافة مباشرةً، بل تُحسب من قياسات درجة الحرارة والضغط والرطوبة باستخدام معادلة حالة الهواء (وهي صيغة من قانون الغاز المثالي ). تتناقص كثافة الغلاف الجوي مع ازدياد الارتفاع. ويمكن نمذجة هذا التغير تقريبًا باستخدام الصيغة البارومترية . ^{[ 92 ]} تُستخدم نماذج أكثر تطورًا للتنبؤ بانحلال مدارات الأقمار الصناعية. ^{[ 93 ]}

يبلغ متوسط ​​كتلة الغلاف الجوي حوالي 5 كوادريليون (5 × 10¹⁵ طنًا أو 1/1,200,000 من كتلة الأرض. ووفقًا للمركز الوطني الأمريكي لأبحاث الغلاف الجوي ، "يبلغ متوسط ​​الكتلة الإجمالية للغلاف الجوي 5.1480 × 10¹⁸  كجم بنطاق سنوي بسبب بخار الماء يبلغ 1.2 أو 1.5 × 10¹⁵  كجم، اعتمادًا على ما إذا كانت بيانات ضغط السطح أو بخار الماء مستخدمة؛ وهي أقل قليلاً من التقدير السابق. ويُقدّر متوسط ​​كتلة بخار الماء بـ 1.27 × 10¹⁶  كجم وكتلة الهواء الجاف 5.1352 ±0.0003 × 10¹⁸  كجم." ^{[ 94 ]}

عندما يمر الضوء عبر الغلاف الجوي للأرض، تتفاعل الفوتونات معه من خلال التشتت . إذا لم يتفاعل الضوء مع الغلاف الجوي، يُسمى هذا الإشعاع بالإشعاع المباشر ، وهو ما نراه عند النظر مباشرةً إلى الشمس. أما الإشعاع غير المباشر فهو الضوء الذي تشتت في الغلاف الجوي. على سبيل المثال، في يوم غائم لا يستطيع فيه الراصد رؤية ظله، لا يحدث إشعاع مباشر لأن الغيوم تشتت جميع موجات ضوء الشمس بالتساوي. كمثال آخر، وبسبب ظاهرة تُسمى تشتت رايلي ، تتشتت الأطوال الموجية الأقصر (الزرقاء) عبر جزيئات الهواء في الغلاف الجوي بسهولة أكبر من الأطوال الموجية الأطول (الحمراء). لهذا السبب تبدو السماء زرقاء؛ فهي تتكون من ضوء الشمس الأزرق المتشتت. كما أن تشتت رايلي يجعل غروب الشمس وشروقها يبدوان أحمرين. ولأن الشمس قريبة من الأفق، فإن أشعتها تمر عبر طبقة سميكة من الغلاف الجوي قبل أن تصل إلى عين الراصد. يتشتت جزء كبير من الضوء الأزرق، تاركًا الضوء الأحمر في مشهد غروب الشمس. ^{[ 100 ]}

تمتص الجزيئات المختلفة أطوالًا موجية مختلفة من الإشعاع. على سبيل المثال، يمتص الأكسجين (O₂ ₎ والأوزون (O₃ ₎ جميع الإشعاعات تقريبًا ذات الأطوال الموجية الأقصر من 300 نانومتر . ^{[ 101 ]} يمتص الماء (H₂O ₎ العديد من الأطوال الموجية التي تزيد عن 700  نانومتر. ^{[ 102 ]} عندما يمتص جزيء فوتونًا، تزداد طاقته. يؤدي ذلك إلى تسخين الغلاف الجوي، ولكنه يبرد أيضًا عن طريق انبعاث الإشعاع، كما سيتم توضيحه لاحقًا. في علم الأطياف الفلكي ، يُشار إلى امتصاص ترددات محددة بواسطة الغلاف الجوي بالتلوث الأرضي . ^{[ 103 ]}

تُشكّل أطياف الامتصاص المُجمّعة للغازات في الغلاف الجوي "نوافذ" ذات عتامة منخفضة ، تسمح بمرور نطاقات مُحدّدة فقط من الضوء. تمتد النافذة البصرية  من حوالي 300 نانومتر ( الأشعة فوق البنفسجية ج) وصولًا إلى نطاق الضوء المرئي (المعروف باسم الضوء)، الذي يُمكن للبشر رؤيته، عند حوالي 400-700  نانومتر، وتستمر إلى الأشعة تحت الحمراء حتى حوالي 1100  نانومتر. كما توجد نوافذ للأشعة تحت الحمراء والموجات الراديوية التي تسمح بمرور بعض موجات الأشعة تحت الحمراء والموجات الراديوية ذات الأطوال الموجية الأطول. على سبيل المثال، تمتد نافذة الموجات الراديوية من حوالي سنتيمتر واحد إلى حوالي أحد عشر مترًا. ^{[ 104 ]}

الانبعاث هو عكس الامتصاص، وهو عندما يُصدر الجسم إشعاعًا. تميل الأجسام إلى إصدار كميات وأطوال موجية من الإشعاع تبعًا لمنحنيات انبعاث " الجسم الأسود " الخاصة بها، ولذلك تميل الأجسام الأكثر سخونة إلى إصدار إشعاع أكبر بأطوال موجية أقصر . أما الأجسام الأبرد فتُصدر إشعاعًا أقل بأطوال موجية أطول. على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة الشمس حوالي 6000 كلفن (5730 درجة مئوية ؛ 10340 درجة فهرنهايت ) ، ويبلغ إشعاعها ذروته قرب 500 نانومتر، وهو مرئي للعين البشرية. أما الأرض فتبلغ درجة حرارتها حوالي 290 كلفن (17 درجة مئوية؛ 62 درجة فهرنهايت) ، لذا يبلغ إشعاعها ذروته قرب 10000 نانومتر، وهو أطول بكثير من أن يكون مرئيًا للعين البشرية. ^{[ 105 ]}        

بسبب درجة حرارتها، تُصدر الغلاف الجوي إشعاعًا تحت أحمر. فعلى سبيل المثال، في الليالي الصافية، يبرد سطح الأرض أسرع منه في الليالي الغائمة. ويعود ذلك إلى أن السحب (H₂O ₎ تمتص وتُصدر الإشعاع تحت الأحمر بقوة. ^{[ 106 ]} وهذا أيضًا سبب انخفاض درجات الحرارة ليلًا في المرتفعات العالية.

ترتبط ظاهرة الاحتباس الحراري ارتباطًا مباشرًا بتأثير الامتصاص والانبعاث هذا. تمتص بعض الغازات في الغلاف الجوي الأشعة تحت الحمراء وتبعثها، لكنها لا تتفاعل بهذه الطريقة مع ضوء الشمس في الطيف المرئي. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ والماء (H₂O ₎ . ^{[ 107 ]} لولا وجود غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي، لكانت درجة حرارة سطح الأرض متجمدة عند -18 درجة مئوية (0 درجة فهرنهايت) ، بدلًا من متوسطها الحالي المريح البالغ 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) . ^{[ 108 ]}    

معامل انكسار الهواء قريب من 1، ولكنه أكبر منه بقليل. ^{[ 109 ]} يمكن أن تؤدي التغيرات المنتظمة في معامل الانكسار إلى انحناء أشعة الضوء على طول المسارات البصرية الطويلة. ومن الأمثلة على ذلك أنه في بعض الظروف، يستطيع المراقبون على متن السفن رؤية سفن أخرى فوق الأفق مباشرةً لأن الضوء ينكسر في نفس اتجاه انحناء سطح الأرض. ^{[ 110 ]}

يعتمد معامل انكسار الهواء على درجة الحرارة، ^{[ 111 ]} مما يؤدي إلى ظهور تأثيرات الانكسار عندما يكون تدرج درجة الحرارة كبيرًا. ومن أمثلة هذه التأثيرات السراب . ^{[ 112 ]}

تكوّن الغلاف الجوي الأول، خلال حقبة الهاديان المبكرة للأرض ، من غازات في السديم الشمسي ، كان معظمها من الهيدروجين ، وربما هيدريدات بسيطة كتلك الموجودة الآن في الكواكب الغازية العملاقة ( المشتري وزحل )، ولا سيما بخار الماء والميثان والأمونيا . خلال هذه الحقبة المبكرة، أدى اصطدام الأرض بكوكب ثيا ، وما تبعه من اصطدامات عديدة مع نيازك ضخمة ، إلى تسخين الغلاف الجوي، مما أدى إلى انبعاث الغازات الأكثر تطايرًا. وقد تسبب الاصطدام بكوكب ثيا ، على وجه الخصوص، في انصهار وقذف أجزاء كبيرة من وشاح الأرض وقشرتها ، وانبعاث كميات كبيرة من البخار الذي برد وتكثف في النهاية ليساهم في تكوين مياه المحيطات في نهاية حقبة الهاديان. ^{[ 117 ] : 10}

أدى ازدياد تصلب قشرة الأرض في نهاية حقبة الهاديان إلى إغلاق معظم مسارات انتقال الحرارة بالحمل الحراري إلى السطح، مما تسبب في تبريد الغلاف الجوي، وتكثيف معظم بخار الماء من الهواء، متساقطًا على شكل محيط هائل . وساهمت انبعاثات الغازات الإضافية من البراكين ، بالإضافة إلى الغازات التي حملتها الكويكبات الضخمة خلال فترة القصف الشديد المتأخر ، في تكوين الغلاف الجوي الأركي اللاحق ، الذي كان يتألف في معظمه من النيتروجين وثاني أكسيد الكربون والميثان والغازات الخاملة . ^{[ 117 ]} وقد ذاب جزء كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الماء وتفاعل مع معادن مثل الكالسيوم والمغنيسيوم أثناء تجوية صخور القشرة الأرضية ، مكونًا الكربونات التي ترسبت على شكل رواسب . وقد عُثر على رواسب مرتبطة بالماء يعود تاريخها إلى 3.8 مليار سنة مضت ^. [ ^{118 ]}

قبل حوالي 3.4 مليار سنة، شكّل النيتروجين المكوّن الرئيسي للغلاف الجوي الثاني المستقر آنذاك. ويجب أخذ تأثير تطور الحياة في الحسبان مبكراً نسبياً في تاريخ الغلاف الجوي، إذ ظهرت دلائل على أقدم أشكال الحياة منذ 3.5 مليار سنة. ^{[ 119 ]} كيف حافظت الأرض في ذلك الوقت على مناخ دافئ بما يكفي لوجود الماء السائل والحياة، إذا كانت الشمس في بداياتها تُصدر إشعاعاً شمسياً أقل بنسبة 30% مما تُصدره اليوم، هو لغز يُعرف باسم " مفارقة الشمس الفتية الخافتة ". ^{[ 120 ]}

مع ذلك، يُظهر السجل الجيولوجي سطحًا دافئًا نسبيًا بشكل مستمر خلال كامل السجل الحراري المبكر للأرض، باستثناء مرحلة جليدية باردة واحدة قبل حوالي 2.4 مليار سنة. في أواخر العصر النيوأركي ، بدأ غلاف جوي يحتوي على الأكسجين بالتشكل، على ما يبدو نتيجة مليار سنة من عملية التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء (المعروفة باسم حدث الأكسجة العظيم )، ^{[ 121 ]} والتي عُثر عليها كأحافير ستروماتوليت تعود إلى 2.7 مليار سنة. تشير نسب نظائر الكربون الأساسية المبكرة ( نسب النظائر ) بقوة إلى ظروف مشابهة للظروف الحالية، وأن السمات الأساسية لدورة الكربون قد ترسخت في وقت مبكر يعود إلى 4 مليارات سنة مضت. ^{[ 122 ]}

تُقدّم الرواسب القديمة في الغابون، التي يعود تاريخها إلى ما بين 2.15 و2.08 مليار سنة مضت، سجلاً لتطور أكسجة الأرض الديناميكي. ومن المرجح أن هذه التقلبات في الأكسجة كانت مدفوعة بانحراف نظائر الكربون لوماغوندي-جاتولي . ^{[ 123 ]}

يؤثر التغير المستمر في مواقع القارات بفعل حركة الصفائح التكتونية على تطور الغلاف الجوي على المدى الطويل، وذلك بنقل ثاني أكسيد الكربون من وإلى مخازن الكربونات القارية الكبيرة . لم يكن الأكسجين الحر موجودًا في الغلاف الجوي حتى حوالي 2.4 مليار سنة مضت خلال حدث الأكسدة العظيم ^{[ 124 ]} ، ويُشير ظهوره إلى نهاية تكوينات الحديد الشريطية (التي تدل على استنفاد الركائز القادرة على التفاعل مع الأكسجين لإنتاج رواسب الحديديك ) خلال حقبة البروتيروزويك المبكرة . ^{[ 125 ]}

قبل ذلك الوقت، كان أي أكسجين ينتج عن عملية التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء يُزال بسهولة عن طريق أكسدة المواد المختزلة على سطح الأرض، ولا سيما الحديدوز والكبريت والميثان الجوي . لم تبدأ جزيئات الأكسجين الحرة بالتراكم في الغلاف الجوي إلا عندما تجاوز معدل إنتاج الأكسجين توافر المواد المختزلة التي تزيله. تشير هذه النقطة إلى تحول من جو مختزل إلى جو مؤكسد . ^{[ 126 ]} شهد الأكسجين (O2 ₎ تقلبات كبيرة خلال حقبة البروتيروزويك، بما في ذلك فترة مليار عام من نقص الأكسجين ، حتى وصل إلى حالة استقرار تزيد عن 15% بنهاية حقبة ما قبل الكمبري . ^{[ 127 ]}

أدى ظهور الكائنات الحية ذاتية التغذية الضوئية حقيقية النواة الأكثر قوة ( الطحالب الخضراء والحمراء ) إلى زيادة نسبة الأكسجين في الهواء، خاصة بعد نهاية العصر الجليدي الكريوجيني ، والذي أعقبه حدث تطوري إشعاعي خلال العصر الإدياكاري يُعرف باسم انفجار أفالون ، حيث انتشرت أشكال الحياة الحيوانية المعقدة (بما في ذلك اللاسعات المبكرة ، والبلاكووزوا، وثنائيات التناظر ) لأول مرة. أما الفترة الزمنية التالية، من 539 مليون سنة مضت وحتى يومنا هذا، فهي دهر البشائر ، وخلال أقدم فتراته ، العصر الكامبري ، بدأت الحياة الحيوانية الأكثر نشاطًا في الظهور والتنوع السريع في حدث إشعاعي آخر يُسمى الانفجار الكامبري ، والذي غُذيت فيه عملية الأيض الحركية بارتفاع مستوى الأكسجين. ^{[ 128 ]}

تذبذبت كمية الأكسجين في الغلاف الجوي على مدى الـ 600 مليون سنة الماضية، وبلغت ذروتها عند حوالي 35% قبل حوالي 280 مليون سنة خلال العصر الكربوني ، وهي نسبة أعلى بكثير من النسبة الحالية البالغة 21%. ^{[ 131 ]} وتتحكم عمليتان رئيسيتان في تغيرات الغلاف الجوي: تطور النباتات ودورها المتزايد في تثبيت الكربون ، واستهلاك الأكسجين من قِبل الحيوانات سريعة التنوع، وكذلك من قِبل النباتات في عملية التنفس الضوئي وتلبية احتياجاتها الأيضية ليلاً. ويؤدي تحلل البيريت والانفجارات البركانية إلى إطلاق الكبريت في الغلاف الجوي، والذي يتفاعل بدوره مع الأكسجين ويقلل منه. ^{[ 132 ]} ومع ذلك، تُطلق الانفجارات البركانية أيضًا ثاني أكسيد الكربون، ^{[ 133 ]} الذي يُمكن أن يُغذي عملية التمثيل الضوئي الأكسجيني للنباتات البرية والمائية . ولا يزال سبب تباين كمية الأكسجين في الغلاف الجوي غير مفهوم بدقة. وغالبًا ما ارتبطت الفترات التي شهدت وفرة في الأكسجين بتطور أسرع للحيوانات. ^{[ 124 ]}