С высотой давление изменяется всегда, а температура в нижних 10–15 км уменьшается только в среднем. При понижении температуры плотность увеличивается, следовательно, с высотой плотность воздуха уменьшается медленнее, чем давление. Плотность в отдельных случаях увеличивается с высотой или не меняется вовсе. Плотность воздуха обычно непосредственно не измеряют, а вычисляют по уравнениям на основе измеренных температуры и давления.

Сведения о плотности еще совсем недавно получали косвенно из наблюдений за полярными сияниями, метеорами, распространением радиоволн. С появлением искусственных спутников Земли плотность воздуха начали определять по их торможению. Используются также наблюдения за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, которые создаются метеорологическими ракетами. В Европе плотность воздуха у поверхности Земли равна 1,258 кг/м³, на высоте 5 км — 0,735, на высоте 20 км — 0,087, на высоте 40 км — 0,004 кг/м³. Чем короче столб воздуха, т. е. выше место, тем давление меньше. Но уменьшение плотности воздуха с высотой вносит свои коррективы, и поэтому закон изменения давления по вертикали сложнее. Уравнение, выражающее закон изменения давления с высотой в покоящейся атмосфере, называется основным уравнением статики. Из него следует, что с увеличением высоты изменение давления отрицательное и при подъеме на одну и ту же высоту падение давления тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение силы тяжести. Основная роль здесь, однако, принадлежит изменениям плотности воздуха. Значит, чем выше, тем меньше падает давление при подъеме на одну и ту же высоту. В теплом воздухе давление уменьшается меньше, чем в холодном — на одной и той же высоте в теплой воздушной массе давление выше, чем в холодной.

Уравнение статики не дает возможности решать постоянно возникающие практические задачи в реальных условиях движущейся атмосферы. Поэтому основное уравнение решают при различных упрощающих предположениях, соответствующих фактическим реальным условиям, выдвигая ряд частных предположений. Из основного уравнения статики можно получить значение вертикального градиента давления, представляющего собой изменение давления при перемещении на единицу высоты, т. е. убывание давления на единицу расстояния по вертикали (мб/100 м). Вместо вертикального градиента часто пользуются обратной ему величиной — барической ступенью в метрах на миллибар (изредка еще встречается устаревший синоним термина «градиент давления» — барометрический градиент).

Вертикальный градиент зависит, в первую очередь от самого давления, а также температуры воздуха. Поэтому в нижнем слое атмосферы давление наибольшее, особенно при низких температурах. Барическая ступень — это высота, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб. Одним из частных решений основного уравнения статики является барометрическая формула Лапласа, учитывающая влажность воздуха и зависимость ускорения силы тяжести от высоты и широты места. По этой формуле можно определить превышение одного пункта над другим на определенной географической широте, располагая наблюдениями над давлением, температурой воздуха и упругостью водяного пара в рассматриваемых пунктах. Формула Лапласа, дающая высокую точность расчетов, часто используется в более упрощенном виде — допускают, что воздух сухой, и не учитывают зависимость ускорения силы тяжести от широты и высоты. Зная две из трех входящих в барометрическую формулу величин (давление, температура, высота), нетрудно определить третью. Таким образом высота двух пунктов вычисляется с точностью до 1 м. И хотя это можно сделать с помощью геодезических методов, но барометрической формуле и метеорологическим наблюдениям проще и быстрее, что особенно важно в горных районах. Можно также вычислить распределение давления по высоте и решить задачу приведения давления к уровню моря и ряд других практически важных задач.

Для существования человека убывание давления с высотой имеет очень большое значение. На больших высотах у человека наступает так называемая горная болезнь — гипоксия, или кислородное голодание, т. е. кровь здесь недостаточно насыщается кислородом. Люди не могут селиться выше 5200 м — этот предел зафиксирован в Перу. В Индии встречаются поселения на высоте до 4000 м. Выше 7000 м человек не может жить и работать без кислородной маски. Лишь некоторые птицы поднимаются до высоты 7–9 км.

Давление воздуха, измеренное на самолете, дает возможность определить его высоту над точкой взлета с помощью специального прибора — самолетного альтиметра со шкалой в метрах. Данный способ применялся, в частности, в Антарктиде.

Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Это — скалярное поле, характеризующееся системой поверхностей равного давления, или изобарических поверхностей. Изобарические поверхности не параллельны друг другу и земной поверхности, так как температура и давление изменяются в горизонтальном направлении. Поэтому изобарические поверхности наклонены под разными углами к земле и весьма разнообразны — от прогнутых вниз обширных, неглубоких «котловин» до выгнутых вверх растянутых «холмов». Если мысленно пересечь их горизонтальной плоскостью, получатся кривые — изобары — линии, соединяющие пункты с одинаковым значением давления. По результатам наблюдений в определенные моменты времени строятся карты изобар — синоптические, по средним многолетним данным (за месяц, сезон, год) — климатологические. На синоптических картах между изобарами принят интервал, равный 5 мб. Плавные и на первый взгляд причудливые линии изобар, никогда не пересекаются, потому что в одной точке не может быть одновременно двух разных значений давления. На ограниченной карте изобары могут обрываться, но в пределах всего Земного шара каждая изобара обязательно замкнута.

В то же время на ограниченной карте очень часто (почти всегда) бывают замкнутые изобары, ограничивающие участки низкого или высокого давления — барические системы. Это области с пониженным давлением в центре — циклоны и области с относительно повышенным давлением — антициклоны. В первом случае давление возрастает от центра к периферии, а во втором — убывает.

Над европейской территорией пашей страны в год проходит в среднем 75 циклонов. Диаметр циклона — 1000 км и более. В Европе за год бывает в среднем 36 антициклонов, из которых шесть имеют давление в центре более 1050 мб. Среднее давление в северном полушарии равно 1013,68 мб, в южном полушарии до широты 72,5° ю. ш. — 1011,68 мб. Над Антарктидой давление еще недостаточно исследовано для получения средних данных. Кроме циклонических и антициклонических систем, существуют промежуточные — ложбины, гребни, седловины. На периферии циклонов и антициклонов или между ними изобары близки к параллельным линиям.

Если рассмотреть изобарическое поле в вертикальном разрезе, то в циклоне изобары выглядят как воронка, а в антициклоне — как холм. На пространственные распределения барических поверхностей влияет температура воздуха. В теплом воздухе вблизи земли барические поверхности лежат выше холодных. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и давление в нем уменьшается с высотой быстрее.

Если составить карты изобар по осредненным значениям за весь имеющийся ряд наблюдений, за определенные месяцы или сезоны (на уровне моря), можно получить следующую картину. В январе вдоль экватора лежит зона пониженного давления, в середине которой давление равно примерно 1010 мб. Внутри этой полосы обнаруживаются области с самым низким давлением (1008 мб), которые лежат над наиболее нагретыми материками южного полушария — в Южной Америке, Южной Африке и Австралии, т. е. около 15° ю. ш. Здесь в это время года лето.

По обе стороны низкого давления в обоих полушариях на широте 30°—35° возникают области повышенного давления с давлением в отдельных центрах более 1020 мб — субтропические барические антициклоны. Это — Азорский максимум в северном полушарии в Атлантическом океане и Гавайский — в Тихом. В южном полушарии в субтропиках выделяются три барических антициклона — все над океанами: Индийским, Тихим и Атлантическим. В то же время над материками южного полушария, в январе более теплыми, чем океаны, давление понижено.