Na troposfera, a temperatura diminui à medida que a altitude aumenta, principalmente porque a atmosfera da Terra é aquecida para cima a partir do nível mais baixo. Embora a luz do sol passe por altitudes mais altas para alcançar a superfície da Terra, a superfície é muito melhor na absorção do calor solar.
O ar é mais quente perto de uma fonte de calor do que o ar mais distante dela, e a Terra é uma fonte de calor para a atmosfera. Do solo para cima, o calor irradia gradualmente através da troposfera, com uma parte dele irradiando para o espaço. Além disso, o ar tem baixa condutividade térmica por volume. Conforme o ar quente sobe e se expande, ele empurra a atmosfera existente, mas transfere tão pouco calor que o processo resulta em uma perda líquida de energia. No entanto, existem exceções conhecidas como inversões de temperatura, e estas são causadas por frentes quentes, ressurgência oceânica e outros efeitos climáticos. Além disso, a temperatura diminui com a altitude apenas na troposfera e na mesosfera; na termosfera bem acima da Terra, a radiação ultravioleta, e não a superfície da Terra, é a principal fonte de calor, assim como na estratosfera. A termosfera tem seu nome porque as moléculas de ar individuais podem atingir uma temperatura de 2.500 graus centígrados ali. Além da termosfera está a exosfera, que é o limite do espaço.
