并不是地球大气中所有气体成分都参与了对地球辐射的拦截并通过自身辐射为地球保暖的，其中大部分只是袖手旁观者，只有水汽、二氧化碳等才是有功之臣，因此它们才是大气中名副其实的温室气体。
水汽虽是大气中最主要的温室气体，但与二氧化碳不同，水汽可以凝结成水或凝华成冰，因此大气中的水汽含量基本稳定，不会出现像其他温室气体那样的累积现象。而二氧化碳浓度却有逐年增加的趋势。20世纪50年代其相对分子质量年平均值约315ppm，70年代初已增加至325ppm，至2000年已超过345ppm，平均每年增加1.0~1.2ppm，或每年约以0.3%的速度增长。综合多数测定结果，在工业革命以前的二氧化碳质量为275ppm。大气中二氧化碳浓度增加的主要原因是工业化以后大量开采使用矿物燃料。1860年以来，由燃烧矿物质燃料排放的二氧化碳，平均每年增长率为4.22%，而1970～2000年各种燃料的总排放量每年达到50亿吨左右。大气中二氧化碳增加的另一个主要原因是采伐树木作燃料。森林原是大气碳循环中的一个主要的“库”，1平方米面积的森林通过光合作用可以吸收1~2千克的二氧化碳。砍伐森林则把原本是二氧化碳的“库”变成又一个向大气排放二氧化碳的“源”。据世界粮农组织（FAO）估计，20世纪70年代末期每年约采伐木材24亿立方米，其中约有一半作为燃柴烧掉，由此造成的二氧化碳质量增加量每年可达0.4ppm左右。如果按这一二氧化碳等温室气体浓度的增加幅度，到21世纪30年代，二氧化碳和其他温室气体增加的总效应将相当于工业化前二氧化碳浓度加倍的水平，可引起全球气温上升1.5~4.5℃，超过人类历史上发生过的升温幅度。由于气温升高，两极冰盖可能缩小，融化的雪水可使海平面上升20~140厘米，对海岸城市会有严重的直接影响。
大气中的二氧化碳是植物光合作用合成碳水化合物的原料，它的增加可以增加光合产物，无疑对农业生产有利。同时，它又是温室气体，对地球热量平衡有重要影响，因此它的增加又影响气候变化。科学家们几乎不约而同地认为，大气中温室气体（主要是二氧化碳）的增加，是20世纪中后期以来全球气候变暖的直接原因。因此，限制二氧化碳等温室气体的排放，防止气候剧烈变化造成对人类的伤害，不仅是科学家们的呼声，也是世界各国的共识。
1997年12月，在日本京都由联合国气候变化框架公约参加国三次会议上，制定了《京都议定书》，又译为《京都协议书》《京都条约》，全称《联合国气候变化框架公约的京都议定书》，是《联合国气候变化框架公约》的补充条款，其目标是“将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平，进而防止剧烈的气候改变对人类造成伤害”。
2.2.3水汽——致冷、致暖、致云、致雨的魔术师水汽在大气中的含量很小，所占体积百分比在0％～4%之间变化。大气中的水汽来源于下垫面，包括水面、潮湿物体表面以及植物叶面的蒸发。水汽在大气中的含量尽管很小，但它却是天气变化的重要角色。
水汽——致冷、致暖、致云、致雨的魔术师
水汽的致暖作用，并不仅仅因为它是温室气体，还在于它在相态变化中产生的潜热。灌水之所以能预防霜冻，一是因为近地层水汽含量增大可增强温室效应；二是因为一旦降温，富含水汽的近地面层可形成露或雾，而水汽在凝结成露珠和雾滴过程中可释放潜热。温室效应及释放潜热的双重增温作用，可阻止地面继续降温。
水汽的相态变化也同样有致冷作用。夏季，同一地区的（河、湖）水面温度低于地面温度，除水体以对流方式传热及热容量大外，还有水面蒸发吸热过程的贡献。酷热的夏季，一场雨会带来凉爽的感觉，同样应感谢雨水在蒸发过程中的吸热功能。
水汽和水并无本质的区别，只不过一个是气态，一个是液态。水汽是大气中唯一能发生相态变化的成分。正是这种相态的变化，才形成了露、霜、云雾、雨雪等五彩缤纷的大气现象。
2.2.4杂质——成云致雨的催化剂
悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒及细菌、微生物、植物的孢子与花粉等，它们的半径一般为10微米，多集中于低层大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧；尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒，以及火山爆发产生的火山灰、流星燃烧的灰烬；盐粒则是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的。
大气中的固体杂质，能吸收部分太阳辐射，提高大气温度；白天能削弱太阳到达地面的辐射，影响地面温度升高；夜间能阻挡地面长波辐射，影响地面温度降低。
大气中的固体杂质，可降低大气透明度，直接影响大气的能见度。霾和沙尘天气，均是固体杂质在作怪。
固体杂质还能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致雨的过程。试验结果表明，在不含固体杂质的空气中，水汽含量达到过饱和时，仍无水汽凝结现象发生。一旦有固体杂质介入，空气湿度为100%（空气中水汽含量达到饱和）甚至小于100%时，就有水汽在固体杂质上发生凝结。大气中一些吸湿性杂质吸附水汽溶解后形成溶液，溶液表面饱和水汽压小于同温度时的水面饱和水汽压，即便空气湿度小于100%（对水面不饱和，但对潮湿的固体杂质来说已经饱和甚至过饱和），水汽也能在杂质上发生凝结。因此，大气中的固体杂质，催化了水汽凝结现象的发生。
2.3大气的垂直结构
现代探测表明，地球大气圈没有确切的上界，在3000～20000千米的高空仍有稀薄的气体和基本粒子存在。如果把大气圈比作一座高楼大厦，则按其成分、温度、密度和稳定度等物理性质在垂直方向上的变化特征，自下而上可分为5层：对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。
对流层是大气圈最低的一层，该层大气紧贴地球表面。由于地面附近的空气因受热不均容易产生对流运动，所以把这层叫作对流层。由于对流的强弱程度随纬度和季节不同而不同，因此对流层的上界也随纬度和季节变化而变化。观测表明，低纬度地区其上界为17～18千米，中纬度地区其上界为10～12千米，高纬度地区其上界仅为8～9千米。夏季对流层厚度大于冬季。同大气层的总厚度相比，对流层是非常薄的，不及整个大气层厚度的1%，但却集中了整个大气质量的3/4和几乎全部的水汽，云雨、电闪等主要天气现象均发生在这一层，也是对人类活动影响最大的一层。由于对流层内的大气主要是从地面得到热量，因此一般情况下气温随高度增加而降低，平均每升高100米，气温下降0.65℃。由于对流层物理属性与地表物理属性息息相关，因此地表面的海陆分布和地形起伏等差异，决定了对流层中温度、湿度等气象要素的水平分布不均匀。
从对流层的顶部到55千米左右的这一层为平流层。在平流层下部，气温随高度升高保持不变或微有上升，大约到30千米以上后气温随高度升高而显著升高，即出现逆温。平流层的这种气温垂直分布特征，是平流层内存在的大量臭氧吸收太阳紫外辐射所致。正是这种气温的垂直分布（等温和逆温层），使空气可以平流（水平运动），却很难对流（垂直运动），因此称其为平流层。平流层气流平稳，民航飞机、热气球就在平流层下部飞行，气象探空气球也能达到平流层下部，流星、流星雨多能划入平流层上部和中部。由于平流层中水汽、尘埃含量极少，几乎见不到发生在对流层中的天气现象，因此大多数时间天气晴朗，大气透明度好。对流层中发展旺盛的积雨云顶部，有时可以伸展到平流层的下部。
自平流层顶部到85千米左右的这一层为中间层。由于中间层内几乎没有臭氧，来自太阳辐射的大量紫外线在该层畅通无阻，而氮、氧能吸收的短波辐射又大部分被上层大气所吸收，所以这层气温随高度的增加而迅速下降，在顶部可降到-90℃左右。由于该层大气上部冷、下部暖，致使空气产生对流运动，故中间层又称为高空对流层。因该层空气稀薄，空气的对流运动远不能与对流层相比。中间层内水汽极少，几乎没有云层出现，仅在高纬度地区夏季的夜晚偶尔能看到一种很薄呈银白色的夜光云。
从中间层顶至250千米（太阳宁静期）或500千米左右（太阳活动期）的这一层为热层，又称暖层。在热层中，由于氮原子和氧原子吸收了大量的太阳紫外辐射，因而气温随高度增加而迅速升高，在300千米左右高度处的气温可高达1000℃以上。这一层空气密度很小，在270千米高度，空气密度约为地面空气密度的百亿分之一。由于空气密度小，在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，氧分子和部分氮分子被分解，并处于高度电离状态，产生带电离子和自由电子，从而形成电流和磁场，并可反射无线电波，因此该层也称为电离层。正是由于有了电离层的存在，无线电波才可以传得很远。低轨人造卫星、太空实验室、航天飞机、火箭等均在这一层中运行。极地附近的热层中，夜晚还可观测到一种大气光学现象——极光。
热层顶以上的大气层统称为散逸层。它是大气的外层，也是大气的最高层，最高高度可达到3000千米。由于该层气温高，空气十分稀薄，且这里远离地面，受地球引力场的作用小，以致于一些高速运动的气体分子可以挣脱地球的引力和其他气体分子的阻力，散逸到宇宙空间。同步人造卫星在这一层运行，登月飞船、前往太空深处的宇宙飞船等，也要经过这一层，极光也出现在这一层。
宇宙火箭的探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层极其稀薄的电离气体，其高度可延伸到2.2万千米的高空，称之为地冕。地冕也就是地球大气圈向宇宙空间的过渡区域，人们形象地把它比作是地球的“帽子”。由此可见，大气层与星际空间是逐渐过渡的，并没有截然的界限。
万物生长靠太阳，地球上的一切生物离开太阳光就没有生命。大气圈与地球生命息息相关。白天，太阳短波辐射除被大气中云层反射，杂质、臭氧等物质吸收，以及大气分子散射外，有55％的太阳光可穿过大气层照射到大地与海洋，其中40％为可见光，是绿色植物光合作用的动力；此外，平流层中的臭氧，可吸收对人体和生物有害的太阳辐射中的紫外线，使地球生物免受紫外线的伤害。夜间，大气中的水汽、二氧化碳、固态和液态杂质等又可拦截地面辐射，防止地表热量完全扩散到宇宙空间，从而为地球上的人类和一切生物创造了比较适宜的生存环境。因此，有人形象地把地球大气层比喻为地球的“外衣”。
20世纪70年代，科学家发现了南极臭氧洞。1989年，科学家又发现北极上空的臭氧层也已遭到严重破坏。若臭氧层全部遭到破坏，太阳紫外线就会杀死所有陆地生命，人类也会遭到灭顶之灾，地球将会成为无任何生命的不毛之地。为保护臭氧层，在1987年9月16日加拿大的蒙特利尔会议上，通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，规定参与条约的每个成员组织，将冻结并依照缩减时间表来减少氟利昂的生产和消耗，冻结并减少3种溴化物的生产和消耗。1995年1月23日，联合国大会通过决议，确定从1995年开始，每年的9月16日为国际保护臭氧层日。
地球整体升温会造成多样化的气候，多样化的气候影响会造成人类生存条件的恶化，而最贫穷的国家最先受到冲击。当温度升高到某一临界值时，地球生态系统中不可逆转的事件会发生，或者开始发生，并引起气候系统或者人类世界中重大的、持久的改变，而这些问题的后果是无法用今天的知识推测到的。农业的退化、洪水、更多的森林火灾、粮食供给问题、饥荒、淡水短缺、贫困加剧、健康恶化、新疾病、人类被迫迁移、更多的难民、国家内部和国家之间的武装冲突、物质损失、国家层面的经济和政治危机等，温室效应带给人类的风险将会接踵而至。
20世纪中后期以来，全球气候出现变暖的趋势。科学家们几乎不约而同地认为，大气中温室气体（主要是二氧化碳）的增加，是20世纪中后期以来全球气候变暖的直接原因。因此，限制二氧化碳等温室气体的排放，防止气候剧烈变化造成对人类的伤害，不仅是科学家们的呼声，也是世界各国的共识。