Il fatto che la temperatura, nei bassi strati dell'atmosfera (circa sino a 10-12 km), la temperatura diminuisca con l'altezza è dovuto al fatto che, a causa della composizione chimica e delo stato fisico (densità e temperatura) dell'aria, la più efficiente modalità di tasporto dell'energia è la convezione. L'energia che proviene dal sole (radiazione elettromagnetica con uno spettro paragonabile a quello di un corpo nero a 6000 °C), infatti, attraversa quasi inalterata l'atmosfera terrestre e viene assorbita solo dal terreno, il quale la riemette non più come un corpo nero alla temperatura di 6000 °C ma mediamente come quella di un corpo nero a 15-20 °C.

La radiazione riemessa dal terreno, pertanto, non si trova più nella banda del visibile ma in quella dell'infrarosso. La bassa atmosfera terrestre non è più trasparente all'infrarosso (a causa del vapore acqueo, dell'anidride carbonica e delgi altri gas serra), quindi questa radazione viene assorbita dall'atmosfera che per questo si scalda. Ora, gli strati così riscaldati dell'atmosfera riemettono a loro volta radiazione infrarossa ma l'energia non viene trasmessa in maniera efficiente ed è più l'energia che gli strati ricevono di quella che riemettono, pertanto gli strati prossimi al terreno si scaldano più degli strati sovrastanti ed è allora che diventa efficiente un altro meccanismo di trasporto dell'energia, cioè la convezione.

Gli strati prossimi al terreno, essendo più caldi degli stati sovrastanti, sono anche più leggeri (meno densi), pertanto tendono a salire e, poiché il rimescolamento interno alle bolle d'aria ascendenti si può trascurare e l'ascesa dell'aria si può descrivere come un processo adiabatico, cioè senza scambio di energia con l'esterno. Le bolle d'aria che salgono si espandono a causa della minor pressione e si raffreddano, il raffreddamento adiabatico può essere descritto dall'equazione di Poisson la quale, unitamente all'assunzione che l'atmosfera sia in equilibrio idrostatico (i moti verticali avvengano con accelerazioni trascurabili), permette di calcolare la diminuzione della temperatura delle bolle d'aria in funzione dello spostamento verticale. In questo modo si calcola quelo che si chiama gradiente verticale adiabatico che corrisponde a ca. 10 gradi celsius al kilometro. Il gradiente verticale adiabatico è dato dal rapporto tra accelerazione di gravità e calore specifico a pressione costante, pertato dipende unicamente dalla massa della terra e dalle caratteristiche fisiche del gas.

Mediamente in atmosfera si osserva che la diminuzione verticale di temperatura è di ca. 6.5 gradi al kilometro (anche se prossimo a 10 gradi/km vicino alla superficie terrestre -ca. nei primi 1500 m-). Questa discrepanza si spiega in parte con il fatto che le masse d'aria che si sollevano non sono secche, ma contengono del vapore acqueo, pertanto quando si raggiunge la temperatura di condensazione il vapore acqueo si trasforma in goccioline d'acqua e viene rilasciato il calore latente di evaporazione, pertanto la temperatura non diminuisce di 10 gradi a causa del riscaldamento interno dovuto alla condensazione.

A 10-12 km la temperatura smette di diminuire e resta grossomodo costante a -50 celsius per qualche km dopo di che aumenta lentamente per arrivare al valore 0 celsius attorno ai 30-50 km per poi ridiminuire. Questo è dovuto ad una variazione nella composizione chimica del'atmosfera. Infatti verso i 20-50 km diventa rilevante la presenza di ozono, il quale assorbe la radiazione ultravioletta proveniente dal sole. In altre parole tra i 20 e 50 km l'atmosfera è opaca alla radiazione ultravioletta e la trasmissione dell'energia non avviene più per convezione (vista la bassa densità non sarebbe efficiente) ma direttamente per trasporto radiativo.