Характерной чертой вертикального распределения температуры в тропосфере является понижение
температуры с высотой.
Средний вертикальный градиент температуры, г. е. среднее падение, рассчитанное на 100 м высоты, равно 0°,6. Вместе с тем ход этого убывания в разных слоях тропосферы разный: 0,3—0°,4 до высоты 1,5 км; 0,5—0°,6 между высотами 1,5—6 км; 0,65—0°,75 от 6 до 9 км и 0,5—0°,2 от 9 до 12 км. В приземном слое (толщиной 2 м) градиенты, при пересчёте на 100 м, исчисляются сотнями градусов.
В описанном распределении температуры по вертикали нередко наблюдаются исключения. Бывает, что верхние слои воздуха теплее нижних, прилегающих к земле. Явление это называется температурной инверсией.
Чаще всего инверсия является следствием сильного охлаждения приземного слоя воздуха, вызванного сильным охлаждением земной поверхности в ясные тихие ночи, преимущественно зимой. При пересечённом рельефе холодные массы воздуха медленно стекают вдоль склонов и застаиваются в котловинах, впадинах, на дне ущелий и т. п. В горах зимние инверсии вообще весьма часты.
Инверсии могут образоваться и при движении воздушных масс из тёплых областей в холодные, так как при натекании прогретого воздуха на холодную подстилающую поверхность его нижние слои заметно охлаждаются. Огромные районы на Земле охватываются так называемыми «инверсиями сжатия», или «оседания». Они развиваются не только на большой площади, но и по высоте на несколько сот и тысяч метров. Когда происходит охлаждение нижних слоёв воздуха, они, уплотняясь, как бы оседают к земле. Вслед за нижними слоями оседают и более высокие над ними; опускаясь на значительное расстояние, они в результате сжатия нагреваются (притом сильнее, чем нижние слои, опускающиеся на небольшое расстояние), чем и создаётся инверсия.