L'air sec au voisinage du sol est un mélange gazeux homogène. Il est approximativement composé en fraction molaire ou en volume de :

• 78,08 % de diazote ;
• 20,95 % de dioxygène ;
• Moins de 1 % d'autres gaz

L'eau joue un rôle particulier dans l'atmosphère où elle existe sous trois états : solide, liquide, gazeux. À l'état gazeux, la vapeur d'eau intervient dans des proportions pouvant atteindre 0,1% en Sibérie à 5% dans les régions maritimes équatoriales. D'un point de vue thermodynamique, l'air atmosphérique peut être considéré comme un mélange de deux gaz : l'air sec et la vapeur d'eau.

Il est tout à fait possible de trouver de l’eau à l’état liquide à des températures inférieur à 0°C. Cela dépend de la pression atmosphérique de ce dernier. Ce phénomène s’appelle « eau surfondue » (supercooled water), et peut provoquer des pluies verglaçantes (freezing rain).

Une perturbation météorologique se définie comme le mélange entre deux masses d’air de température et propriétés différentes. Ainsi, une masse d’air plus chaude pénétrera dans un air plus froid, formant un front chaud. A cause de la force de Coriolis induite par la rotation terrestre, une partie de cet air chaud devient une spirale et repousse de l’air froid dans l’air chaud (voir schéma). L’air froid pénètrera à son tour dans l’air chaud, formant un front froid. A l’arrière d’un front froid on observe un ciel de traîne. Ainsi, un observateur se situant à l’origine dans un air froid, verra successivement passer le front chaud, puis le secteur chaud, suivi du front froid et enfin du ciel de traîne.

Les cumulonimbus sont des nuages instables, large et à forte expansion verticale qui ressemblent à une enclume
géante. Ces derniers provoquent de fortes précipitations tel que des orages ou de la grêle. Ils sont dangereux et
peuvent provoquer des dégâts.

Les nuages lenticulaires témoignent de la présence d’un vent fort perpendiculaire à un relief montagneux (vent soufflant sur le flanc des monts). Ce phénomène provoque une ascension rapide et forcée de l’air, créant un nuage lenticulaire au sommet de la perturbation et de très fortes turbulences pour les avions.

Les Jet-streams sont des vents très puissants rencontrés à haute altitude. Ces courants ont quelques kilomètres d’épaisseur pour plusieurs centaines de kilomètres de long. Soufflant généralement d’Est vers l’Ouest, ils sont généralement situés sous la tropopause entre deux zones climatiques.