Det kan ju synas logiskt att tunga molekyler skulle hamna längst ner i atmosfären och de lätta ovanpå. För att detta skall ske måste emellertid gravitationen få tid att verka.
Fria medelväglängden
Den fria medelväglängden (FMV) är den genomsnittliga sträcka en molekyl färdas mellan två kollisioner. Den beror av luftens densitet och därmed atmosfärstrycket.
Vid jordytan är FMV av storleksordningen miljarddels meter; 66 nm (nanometer). Under denna extremt korta sträcka hinner inte molekylen falla långt på grund av gravitationen utan dess rörelse är helt dominerad av kollisionerna.
Turbulent omblandning
Atmosfärens sammansättning av olika gaser bestäms därför av turbulensen, som på några sekunder, minuter eller timmar blandar om på skalan mm upp till flera meter och till och med kilometer. Tänk på exempelvis virvlar i gathörn eller när en människa går genom luften. Denna blandning av atmosfären är väldigt effektivt.
Den turbulenta omblandningen dominerar upp till ca 100 km höjd, där FMV=0,22 m. En molekyl rör sig alltså hela 22 cm i genomsnitt mellan varje kollision.
Påverkan på luftens sammansättning
I praktiken gör turbulensen att atmosfären blandas effektivt på höjder under 100 km och därmed har en välbestämd sammansättning där. Men det finns andra faktorer som gör att detta inte helt stämmer.
Vattenångans fasförändring gör att gasen vattenånga övergår till fast eller flytande form som faller ur som nederbörd vid tillräckligt låga temperaturer. Eftersom temperaturen sjunker snabbt med höjden från jordytan till cirka 10 km höjd kommer därför vattenångan generellt sett att minska i andel med ökande höjd.
I marknära skikt finns det källor till de gaser som ingår i luften. Mest betydelsefull är givetvis oceanerna och den vattenånga som avdunstar från havsytan. Lokalt kommer mängden vattenånga i atmosfären därför att variera en hel del.
Andra källor är exempelvis de gaser som bildas vid förbränning såsom koldioxid, svaveldioxid och kväveoxider. Innan turbulensen har hunnit blanda runt dem i atmosfären kommer de givetvis att ha en högre koncentration än de har långt bort från källorna där omblandningen hunnit verka.
En annan betydelsefull faktor är fotokemisk produktion och nedbrytning av vissa gaser. Mest känd av dessa är nog ozon, vars fotokemi främst förekommer i stratosfären. Men även i marknära skikt kan en betydande bildning och nedbrytning av ozon äga rum, vilket ger en oregelbunden fördelning av denna gas.
Men i det stora hela innehåller torr luft väldigt konstanta andelar (volymsprocent) av syre (21%), kväve (78%) och argon (1%). Tillsammans utgör dessa tre gaser mer än 99% av torr luft.
Vattenångan förekommer i varierande andelar i fuktig luft, vanligen från nästan noll upp till några procent.
Övriga gaser benämns ofta som spårgaser då deras halter är låga. Men de kan vara betydelsefulla ur vissa aspekter. Några är lätt giftiga, andra påverkar jordens strålningsbalans så kallade växthusgaser.
Gravitationen vinner på hög höjd
Över 100 km höjd ökar den fria medelväglängden ytterligare, eftersom trycket där är mycket lågt. Nu kan en skiktning ske eftersom gravitationen hinner verka mellan kollisionerna.
I princip skulle atmosfären här bilda lager enligt följande (molekylvikt): ozon (48), koldioxid (44), molekylärt syre (32), molekylärt kväve (28), argon (18) och vattenånga (18).
Emellertid finns på dessa höjder inga molekyler kvar eftersom de har dissocierats av UV-strålningen från solen. Därför blir det en skiktning av beroende av atomvikterna exempelvis atomärt syre (16), atomärt kväve (14) , helium (4) och med väte (1) på toppen.