地球上的水和大气是一切生物生命活动（包括人类生存）最基本的物质，因此，水圈和大气圈成了影响人类生存最为直接的两个圈层。这两个圈层在自然地理系统中起着最为重要的作用。它们不仅各自处在不断的运动中，而且它们之间还在相互渗透、相互制约、相互作用着。水汽是联系大气圈和水圈的纽带，它既是水圈的一部分，也是大气圈的重要组成成分。在大气圈中水汽含量的分布及其三相变化，造成了大气中天气现象的产生以及这些天气现象分布的地区差异。大气中一切天气现象的产生归根结底是水汽参与的结果，可以这么说，没有水汽的参与就不会有天气现象产生。
大气圈的演化
地球是太阳系中的一个成员，是无限宇宙中的一颗渺小的星星；但就地球本身来说，它的里里外外，又可分为好几个圈层。
在地球的外围，包围着一层大气，人们把这层大气称为“地球的大气圈”，简称大气圈。它像一层厚厚的外套罩着地球，人类就生活在这大气的海洋里。大气直接影响着人类的生产与生活，它和人类的生存息息相关。
地球的大气圈是怎样形成的呢？这个问题一直受到人们的注意和研究。但由于大气圈是在人类社会出现以前形成的，它的成因比较复杂，并且又与地球的起源、演化有着直接的关系。所以到目前为止，还没有一个完善的解释。比较一致的看法为：最初，当地球刚刚由星际物质凝聚成疏松的地球团时，空气不仅包围在地球表面，而且也渗透在地球内部。那时的空气成分以氢为主，约占整个气体成分的90%。此外，还有一些水汽、甲烷、氨、氦及一些惰性气体。
以后，由于地心引力的作用，这个疏松的地球团就逐渐收缩变小。于是包含在地球内部的空气就被排挤出来，散逸到宇宙太空中去。到地球团收缩到一定程度后，收缩的速度便渐渐变慢，与此同时，地球的温度也渐渐降低，地壳便开始凝固起来。最后被排挤出来的一部分空气，就被地心引力拉住包围在地球的表面，形成了大气层。当时的大气层是很稀薄的，它的成分仍是氢、水汽、氦、甲烷、氨及一些惰性气体。
地球大气圈和水圈大气层地壳形成以后，在古老的地质年代里，地壳内部又因放射性元素的不断发热，造成地层的大调整，使地壳的某些地方发生断层和褶皱。包含在岩石和地层中的一些气体，便被大量释放出来，补充到稀薄的大气层内。这时，大气上层已经有了水蒸气，它们在太阳光线的照射下，一部分被分解为氢和氧。这些分解出来的氧，一部分与氨中的氢结合，使氨中的氮分离出来；一部分与甲烷中的氢结合，使甲烷中的碳分离出来，碳又与氧结合成为二氧化碳。这样，大气圈内的空气，主要成分就变成为水蒸气、氮、二氧化碳和氧了。不过，那时候的二氧化碳比现在多，而氧则比现在少。
大约在18亿年以前，水里面开始有了生物；在七八亿年前，陆地上开始出现植物。当时大气中二氧化碳含量比较多，十分有利于植物的光合作用，使植物生长得非常繁茂。植物的光合作用，吸收了大气中的二氧化碳，放出了氧，使大气的含氧量增加。大约在5亿年以前，地球上的动物增加很快，动物的呼吸又使大气中的部分氧转化为二氧化碳。
地球上的动植物增多后，当动物的粪便和动植物的躯体腐烂时，蛋白质的一部分变为氨和铵盐，另一部分直接分解出氮，变为氨和铵盐的一部分，通过硝化细菌和脱氧细菌的作用，变为气体氨，进入大气。由于氮是惰性气体，在正常温度下不容易与其他元素化合，因此大气中的氮也就越积越多，最后达到了现在大气中的含氮量。从此，近地面的大气就变成了现在的成分，即氮约占78%，氧约占21%，其他微量气体的总和占不到1%。
知识点空气密度
在一个标准大气压下，每立方米空气所具有的质量（千克）就是空气密度。空气的密度大小与气温，海拔等因素有关，海拔越高密度越低。我们一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下，密度为1293kg/m3。通常情况下，即20摄氏度时，取1205kg/m3。
大气圈的厚度与构造
一、大气圈的厚度
地球上的大气圈有多厚？也就是说从地球表面向上有多高，才能到达大气圈的最上边沿？对于这个问题，人们在很久以前，就已开始探索研究。
最初，人们是根据云的高度来确定大气圈的厚度。我们知道，云是漂浮在大气中的细小水滴或冰晶组成的。有云的高空，一定有大气的存在。根据对普通常见云的观测，最高的云可达10~15千米。因此，最初人们认为大气圈的厚度在15千米以上。
流星是宇宙中的小天体，当它进入地球大气圈以后，因为它以每秒20～100千米的速度运动，与空气摩擦生热而发光。于是，人们又根据流星出现的高度，来确定大气的厚度。流星一般开始出现在70~120千米的高空，因此人们就认为大气圈的厚度也就在70~120千米以上。
日出以前，天空便开始发亮，日落以后，天空并不立即变暗。我们把这种日出以前和日落以后的天空皓亮现象，称为“曙暮光”。曙暮光是由于高层大气分子被太阳照射以后散射出的光亮。因此，根据测量曙暮光的高度，又确定大气圈的厚度在280千米以上。
在两极地区的上空，常常可以出现五彩缤纷的放电现象，人们把它称为“极光”。极光是太阳辐射出来的电子流，进入高空稀薄的大气层后，产生的一种放电现象。因为地球是一个大磁场，所以极光仅出现在地球南极和北极地区的上空。根据对极光的测定，大气圈的厚度又在1200千米以上。
人造地球卫星的上天，为人类进一步征服自然界开辟了新纪元。人造地球卫星到达了人类从来没有去过的高空，为我们搜集了大批研究高层大气的情报。根据近年来人造地球卫星探测的资料，地球大气圈的厚度应在3000千米以上。
大气圈的厚度究竟是多少呢？这还要很好地研究才能解决。我们知道：空气是一种可以压缩的流动气体，在地球引力的作用下，上层空气压在下层空气的上面，下层空气的密度就被压得变大了，离地面越高的地方，受到上层的空气的压力越小，所以越往上去，空气的密度越小，空气就越稀薄了。据研究，地面上每立方厘米空气有255×1019个分子，在离地面5千米的上空，每立方厘米空气中有153×1019个分子；在100千米的高空，每立方厘米空气中有18×1013个分子；在1000千米的高空，每立方厘米空气中，就只有10万个分子，大约仅相当于地面空气密度的26×1014分之一。由此可见，空气是越向上越稀薄，以至于绝迹。所以大气圈的最上层，没有一个明显的界限。因此，要确定大气圈的厚度是比较困难的。
二、大气圈的构造
在3000多千米厚的大气圈里，人们生活在近地面的大气层中，对于近地面的大气情况，通过长期的反复实践，有了一定的了解。但是，高空中的大气是什么样呢？很久以来人们就在探索。
早在18世纪中叶，人们就开始利用风筝把气象仪器带到空中去观测大气。但是，风筝只能上升到二三千米的高度，而且在风小时还升不起来，风大时又容易发生危险。到18世纪末期，人们发明了载人气球，用氢气球将人和气象仪器带到空中，进行探测。虽然获得了大气中的一些资料，但是这种方法既笨重又不经济，在探测高度上也是有限的。到了20世纪30年代，随着电子技术的发展，发明了无线电探空仪，用氢气球将气象仪器和无线电发报机带到高空中去。随着无线电探空仪的上升，气象仪器把沿途测量到的大气温度、大气湿度、大气压力等气象数值，通过无线电讯号不断地发回到地面接收站。此时，才算比较圆满地解决了空中的探测问题。以后，人们随生产和军事科学的进展，对大气的探测又提出了新的更高的要求，利用无线电探空仪探测大气高层的气象资料已远远不能满足要求了。经过广大科学工作者的努力，终于发明了气象火箭、气象雷达、气象卫星等，从而，人们对于大气高层的气象资料有了进一步的了解。
气象工作者根据用各种方法探测到的高空气象资料，按照气温和空气运动的特点，把大气层分成对流层、平流层、中层、热层和外层。
（一）对流层
大气圈结构对流层是大气圈的最下层，它的高度在各地是不同的。赤道附近的地区，对流层的平均高度约十七八千米；两极附近的地区，对流层的平均高度约八九千米；在中纬度地区，对流层的平均高度约为10~12千米。在对流层内，空气温度随高度增加而降低，平均每上升100米，气温就下降065℃。因为，下面的空气温度高，密度小；上面的空气温度低，密度大，所以下面的空气就不断上升，上面的空气便下来补充上升的空气。这样在对流层内就发生了上上下下不停的对流运动，对流层之名就是由此而来。对流层对地面的影响最大，我们经常看到的天气现象如云、雨、雪、雹等都发生在这一层内。
（二）平流层
从对流层向上到五六十千米的高空称为平流层。在平流层内，气温随高度增加而增加。平流层内的气流比较平稳，几乎没有什么对流运动，因此比较适合飞机的飞行。这一层内的空气以水平运动为主，所以称为平流层。平流层内空气比对流层内稀薄得多了，水汽、尘埃的含量也很少，经常是晴空万里，偶尔可以看见贝壳色彩的贝母云。
（三）中层
从平流层向上到八九十千米的高空称为中层。在中层内，气温随高度的增加而下降。中层内尚有少量的水汽存在，因此，有时可以看见银白色的夜光云。
（四）热层
从中层向上到800千米左右的高空称为热层。这一层内的温度很高，而且温度的昼夜变化很大。
（五）外层
热层以上称为大气的外层。在外层内，空气温度更高，空气非常稀薄，一些高速运动的空气分子，可以挣脱地球引力，冲破其他分子的阻力而散逸到宇宙空间去，因此这一层又称为散逸层。
大气层除根据气温和空气运动的特征划分为5层外，它还可以根据其他的物理特征来划分层次。如根据大气的电离现象，可以把大气划分为非电离层和电离层。非电离层离地面大约60千米以下，在这一层内，大气处于非电离状态。电离层是指离地面大约60千米以上的高空，在这一层内，由于太阳和其他天体射来的各种射线的影响，大气分子被电离层带电的正离子和自由电子。电离层又可划分为D层、E层、F层、G层，它们的高度和电离程度经常在变化，其中以离地面80~500千米的高空，电离程度比较高。电离层可以反射无线电波，所以它对无线电通讯具有重要的意义。
知识点干洁空气
干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体，简称干空气。干洁空气是大气的主体，平均约占低层大气体积的9997%（水汽平均约003%，杂质可忽略）。主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，其容积含量占全部干洁空气的9999％以上。其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。
辽阔的地球水圈
要谈地球上的水，不妨先让我们作一个假设：如果火星上也有居民，并且与我们有共同的语言，那么当“火星人”用极其强大的望远镜透过地球的大气层看地球时，他们会把地球叫做“水球”。这是因为在“火星人”看来，整个地球差不多是被碧蓝色的海水覆盖着。
海洋面积占地球表面的71％，如果将海洋中所有的水均匀地铺盖在地球表面，地球表面就会形成一个厚度为2700米的水圈。“水球”的名字名副其实。