“頭重腳輕”的赤道上空
包圍地球的大氣其厚度在3000千米以上，要了解未來天氣、氣候的變化，僅僅有地麵觀測資料是不夠的，還必需有高空氣象資料，才能對高層大氣進行分析和研究。航空事業的發展更是迫切需要了解高空的氣象狀況，飛機的飛行高度至今還靠氣壓表來測量。
1749年，氣象學家用風箏把溫度表帶上天空，最高能達到雲層高度。這是最古老的、直接探測高空大氣的嚐試。1783年，法國人蒙哥菲爾兄弟發明了熱空氣球。載動物飛行試驗成功後，氣象學家傑佛裏斯帶著氣壓表、溫度表、濕度表，乘坐熱氣球，第一次飛越英吉利海峽。這是人類第一次升空飛行，也是第一次對高空氣象進行直接觀測。1862～1866年間，英國氣象學家格萊謝爾為獲取高度更高的高空氣象資料，不斷提高熱氣球的飛行高度。當氣球飛升到8839米的高度時，由於高空嚴重缺氧，他剛記下氣壓表上的讀數就失去知覺。同氣球的一位探險家也凍得四肢麻木，但他用牙齒拚命打開控製閥門，氣球放氣後開始緩緩下降，他們才得以生還。顯然，這種靠冒生命危險來獲取高空資料的做法是不可取的。隨著電子技術的發展，人們在地麵就能了解到高空氣象狀況的夢想終於實現。1927年，世界上第一部無線電探空儀飛向了天空。
如今在城市，每天早晨和傍晚，人們都能看到從氣象台放出的乳白色氫氣球。它隨風飄向高空。氣球下麵掛著的那件東西，就是無線電探空儀。這個重量不到1千克的小巧玲瓏的探空儀，能測量從地麵到40千米高空的氣象要素數值，同時把測得的結果用無線電訊號不斷傳遞到地麵接收站。
現在全球約有1000多個無線電探空站，形成一個高空觀測網。這些觀測站每天在統一的世界時間0時和12時定時觀測兩次；觀測完畢後，立即把觀測結果編成氣象電碼，發往氣象中心。氣象中心通過計算機把這些觀測數據自動填寫在高空天氣圖上並進行自動分析。氣象工作者根據高空氣象要素的變化，就可以對未來天氣形勢做出較為可靠的預報。科學研究、監測環境汙染、飛機航線的安全保證和國防建設如導彈試驗、炮兵射擊等許多方麵，都離不開高空氣象資料。在國際上，各國之間還要及時地進行高空資料交換。
從無線電探空儀發射來的訊號證實：空氣溫度是隨高度增加而降低的，平均每上升100米，氣溫下降0.6℃。蘇東坡有詞道：“我欲乘風歸去，又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒。”說明我國古人已經知道溫度是隨高度的升高而降低的。然而，進一步探測表明，到某一高度後，溫度不再隨高度改變而改變。再往上，溫度反而增高，這個高度被稱為對流層頂。從地麵到對流層頂稱對流層。這一層大氣占整個地球大氣質量的80％，大氣中的水汽幾乎全部都集中在這一層。雲、雨、雪等天氣現象也都發生在這一層中，因此，它與人類的關係最為密切。
為什麼對流層內溫度隨高度增加而降低?這是因為對流層中的空氣熱量主要來自地麵。太陽輻射的能量大部分被地麵吸收，地麵變成熱源，並向大氣輻射熱量，使上空的空氣變熱。越靠近地麵，空氣越熱；越遠離地麵，空氣受熱越少，因此對流層頂溫度最低。對流層頂在低緯度熱帶地區高度為17～18千米，在中緯度地區高度為10～12千米，在寒冷的高緯度地區隻有8～9千米。由於對流層頂的高度愈高，溫度愈低，因而世界上最冷的空氣反而出現在全球地麵溫度最高的地方——赤道上空。
對流層下麵熱，上麵冷，“頭重腳輕”，空氣很不穩定，容易上下翻動，造成空氣對流。對流的結果，使上、下層空氣均勻混合，熱量、水汽和塵埃微粒等得以往上輸送，從而引起各種天氣現象。
對流層以上是平流層。平流層的底部存在一個約有幾千米厚、溫度大致相同的區域。到20千米以上，溫度隨高度增加而升高；到50千米左右，氣溫上升至0℃，這裏就是平流層頂。平流層的中、下部是臭氧層。臭氧能吸收太陽紫外線，使氣溫增高。所以平流層不像對流層，而是溫度隨高度增加而上升。這一層由於很少出現上升或下沉氣流，水汽含量極少，不會出現雲雨現象，所以總是晴空萬裏，很適合噴氣式飛機飛行。
整個大氣層按溫度結構來劃分，可分為5層：對流層、平流層、中間層、熱層和外逸層。
黃土沉積形成黃土高原
我國北方聞名於世的黃土高原，麵積巨大（約60萬平方公裏）、地形崎嶇、黃土深厚。它究竟是怎樣形成的呢？
100多年來，許多科學家致力於這一問題的研究，提出了幾十種假說：有的認為是風力把其他地方的黃土搬運到黃土高原上的，此即為黃土風成學說；有的認為是流水把黃土搬運到黃土高原的，此即為黃土水成學說；有的認為是風化作用將當地原來的岩石、砂礫“粉碎”之後，殘留原地演化成黃土的，此即為風化殘積學說，等等。
近幾十年來，更多的科學家讚同黃土風成學說，依據為黃土無選擇地覆蓋在黃土高原的山嶺上，且厚度也由西北向東南逐漸變薄等等自然地理現象。
按照黃土風成學說的解釋，黃土高原是這樣形成的：在蒙古、中亞和我國西北一帶的荒漠地區，氣候幹燥，溫差很大，由於熱脹冷縮的作用，使岩石、砂礫等被“加工粉碎”成細小的砂子和粉塵。強勁的西北風將以百萬噸計的細砂和粉塵旋入天空，隨風南下。於是粗粒的先沉降下來聚成沙漠，細粒的則被飄移至秦嶺北麓。經過二三百萬年的搬運堆積，終於形成了黃土高原。
但近年來，科學家發現許多現象是黃土風成學說無法解釋的。譬如，黃土中粗粉砂含量由西北向東南遞減，粘土的含量卻從西北向東南遞增，這種自西北向東南的有規律的排列呈疊瓦階梯狀的分布過渡，而不是平麵模糊過渡。這種疊瓦階梯狀的分布過渡更像是洪水的傑作等等。
對此，我國科學家李明光提出新的理論——黃土高原災變水成學說。他用大量證據證實：黃土高原是喜馬拉雅運動帶來洪水泛濫，黃土沉積和新構造運動抬升形成的。他的觀點引起了科學界的關注。
冬暖夏涼的“怪地”
我國遼寧東部山區，地溫反常，夏天冒冷氣，冬天冒熱氣。冬天，在這地段，有的山崗上，綠草茵茵，花果蔥蔥，仿佛春天般的景象，而山崗的四周，草木枯萎，冰封雪裹，一派冬季蕭條的景象。夏季，這些地方好像安裝了空調器似的，把寒氣吹到地上。
據當地人說，解放前的某個夏天，一位國民黨軍官把一匹戰馬拴在一個山洞前的樹樁上，第二天，這位軍官驚奇地發現戰馬幾乎被凍死了。
這塊“寶地”為當地農民帶來了許多好處。且不說為冬季農業生產提供了良好的小氣候，就日常生活而言，也提供了許多便利。村民隻要壘個山洞或石頭坑，就是一個“純天然冰箱”。酷暑時節，將雞鴨魚肉放到“冰箱”裏，就不會壞。
據遼寧省地質部門初步考察，該地的一個長約200米、寬約80米的地方，冬季氣溫為-30℃時，在地上挖1米深的坑，坑內溫度達17℃；夏季氣溫為30℃時，地下1米深處的溫度約為-12℃。
此外，還有些地方也有類似的現象。譬如，在河南省林縣石板岩鄉西北部太行山半山腰處，有一個叫“冰冰背”的地方，每年陽春三月，太行山百花盛開時，“冰冰背”開始結冰，直至八月，寒氣逼人；冬季，四周結冰，惟獨“冰冰背”沒有結冰，且熱氣如蒸，花草茂盛。
為什麼會出現這種反常的現象呢？目前，科學家還沒有進行很深入的考察研究，因此也還沒有一個確切的答案。
一些科學家也做了些推測：有的認為地下有儲氣構造和特殊的保溫層；有的認為地下重疊著寒、熱儲氣帶，終年釋放氣流，遇冷則熱氣顯，遇熱則寒氣顯；有的認為是一種特殊環境下的小氣候……究竟是什麼原因所致，目前還無法解釋。
神農架的自然景觀
位於湖北省西部的神農架，是一處保存完好的原始森林。它的原始生態令它充滿了傳奇色彩。這裏的處處風景都是奇觀，處處奇觀都是難以解釋的謎。
“冷暖洞”
神農架裏有一個洞,洞內十分寬闊，能容納上千人。洞口有一條明顯的分界線。分界線的兩邊正好一幹一濕，幹的這邊熱氣騰騰；濕的那邊卻是冷氣颼颼。測量發現，僅僅一線之隔，溫度卻相差十幾度，究竟是什麼原因呢？至今仍眾說紛紜，尚無定論。
“潮汐河”
在神農架裏一個叫“小當陽”的地方，有一條著名的“潮汐河”，它一天三次潮起潮落，並由此得名。為什麼會發生這種情形呢？不得而知。
神農架美麗風光
“鬼市”
很多人在神農架裏都見識過“鬼市”。“鬼市”又叫“山市”，就好像是把發生在沙漠裏的海市蜃樓挪移到了山中。古代人都傳說是蛟龍、大蛤蜊之類的怪物噴雲吐霧形成了“鬼市蜃景”，可現代科學相信這是一種光學原理，是光線在不同空氣層發生折射，投射到了空中或地麵的景物裏。但很多人都在山裏聽見了“鬼市”裏人聲鼎沸、車馬喧囂。這種有聲的蜃景又怎麼解釋呢？
“神石”
在神農架林區，有一根被當地人譽為“神石”的石柱，每年年初到7月份這段時間，石柱的石縫裏常常會不甘寂寞地響起音樂，有鑼聲、鼓聲、嗩呐聲，就像是民族樂器的交響樂，神奇極了。但到了下半年，它就變得寂靜而毫無聲息，非常有規律。“神石”為何如此，也是未解之謎。
石頭屋
在神農架的石頭屋地區，有一種碩大的雞，體重4 ～6 公斤。這種雞不僅下的蛋大，而且特別擅長下雙黃蛋。更奇特的是，這是一種格外戀家的雞，隻要離開石頭屋地區，它們就會死去。這也頗令人不解。
神奇的白溢古寨
被列為“中國名勝”和“神州九奇”的白溢古寨景區，位於湖北省五峰土家族自治縣城北。此神秘而古老的山寨，蘊藏著無數的自然奇觀，特別是以其世間罕見的“六大不解之謎”聞名遐邇，成為我國境內獨有的神奇景觀。
盛夏結冰，寒冬暖巢
白溢古寨寨西絕壁之下的山腰名為“夾灣”，是方圓50平方米的一片怪石鱗嶼之地，幹不見水，但每年立夏前後天氣轉熱時，慢慢結冰，立秋後隨天氣轉冷而消融。伏天天氣最熱，此處卻冰凍三尺，呈現出石上鮮花綠葉，石下冰涼三尺的罕見自然奇觀，曾有企業懸賞10萬揭謎，國際洞穴專家實地考察後也未解其因。
“地動石”
寨上湖坪有一巨石，人立其上用力踏地，隻見地動山搖，15米外立足者，感覺猶如地震。
“冷水穀”
湖坪稻田之米，奇香可口，蒸熟後粒粒豎起，細長如杆，古為上貢皇帝專用，米為何熟後自立？無從道清，成為華夏一絕。
“藏金洞”
絕壁上有一土司（土皇帝）藏寶的“藏金洞”，傳說土司請石匠鑿岩逐級而登，將金銀財寶藏於懸崖上一隱秘洞中，又令石匠毀去台階，掩蓋痕跡。土司後用刀殺害石匠，順手將刀插於壁下石縫中移屍，而後卻不能拔出屠刀，至今仍能見到石縫中的刀尖。
銀花金盆，寨上海市蜃樓
每至深秋午夜，隻見第二級絕壁之上銀花競放，接著在其下方出現一金盆，托起銀花，光彩四射，清晰可見，由暗變明，再由明變暗，最後消失，大約持續30分鍾左右，寨上農民多次親眼目睹如此奇觀。
偉人共枕
晴天時，從千丈岩隧洞兩頭處遠望白溢寨山體，斯大林、毛澤東兩位世界偉人頭部緊緊挨在一起，南北相向而臥，共枕一席，形態十分逼真，斯大林的八字胡，毛澤東的高額和下巴上的痣惟妙惟肖，栩栩如生。
吉祥之光——“佛光”
佛光，是峨眉山日出、雲海、佛光和聖燈四大奇觀中最奇特的一種自然現象。在峨眉山金頂背向太陽而立，當前下方彌漫著雲霧時，有時會在前下方的天幕上，看到一個外紅內紫的彩色光環，中間顯現出觀者的身影，且人動影隨，人去環空。即使兩人擁抱在一起，每個人也隻能看到各自的身影。
這種“佛光”現象在其他地方極為罕見，但卻在峨眉山經常出現，一年中平均會出現60多次，多時甚至出現80多次。千百年來，“峨眉寶光”馳名古今中外，加上佛教的渲染，其更富有傳奇色彩和神秘感，吸引著無數的好奇者。
這種“佛光”到底是怎麼形成的呢？
佛家認為，要與佛有緣的人，才能看到此光，因為佛光是從佛的眉宇間放射出的救世之光，吉祥之光。清代康熙皇帝還特地提寫“玉毫光”三字，賜予佛光常現的金頂華藏寺。
作為一種自然現象，佛光也引起了中外科學界的重視並展開專題研究。
中國學者魏福平認為：佛光是日光在傳播過程中，經過障礙物的邊緣或空隙間產生的展衍現象，即衍射作用而形成的。當雲層較厚時，日光在射透雲層後，會受到雲層深處的水滴或冰晶的反射。這種反射在穿過雲霧表麵時，在微小的水滴邊緣產生的衍射現象，有一部分光束會偏離原來的放射方向，於是，不同的單色光就逐漸擴散開來，在人們的眼前，出現一個彩色的光環。
為什麼隻能看到自己的身影呢？魏福平認為，雖然雲層中的水滴和冰晶點很多，但人們各自所見的光環，隻是各自眼睛所視為頂點的那個光錐麵的水滴或冰晶點的作用的結果。就如同各自對照著一麵小圓鏡，自然照見的也就是各自的身影了。
至於出現影隨人動，人去環空的景象，則是佛光中“攝身光”的原理，至今尚無科學解釋，還需深入研究和探討。
“怪石墨竹”探密
四川仁壽縣黑龍灘北端懸崖上鐫刻著一米見方的“龍岩”二字。距其東南300多米的紫色石壁上，有一尊大佛坐在窟中。石窟上麵左側的平麵石壁上，用淨水潑灑後，出現“潑水現字”幾行墨筆字，署名處清晰地現出“乾道五年”等遒勁字跡。
在石窟上右側石壁凸起的平麵上，有些不規則處，經山泉潑灑就會出現這樣的奇觀：石壁條幅上，墨竹主幹亭亭，枝葉瀟灑；竹根臨怪石處派生出一叢幼竹，婀娜可愛；頂部側葉，長劍當空，刺向雲天。
據說這“怪石墨竹”的作者是文同，人稱石室先生、文湖州，北宋梓州永泰縣（四川省鹽寧縣永泰鄉）人。他平生愛竹、種竹、寫竹，開拓了“湖州竹派”。著名漢語成語“胸有成竹”，就是他寫竹經驗的結晶。
“怪石墨竹”寫於1171～1173 年之間，距今已逾900年。
相傳，這是寫竹用的墨非凡。那墨是在其主要原料鬆煙、煤煙中，投入了珍稀的某種魚的尿液，經銅爐煉製而成。
當地百姓則說，是因為龍岩處於神秘莫測的古怪位置。先前，岩頂有參天古樹蔭蔽，岩下有從河水中不斷蒸騰升起的某種地氣，再加上龍洞中山泉孕育的結果。
更有古稀老人說，是文同的表弟——宋代名人蘇東坡在密州就任期間，從徽州買來一種“魔墨”相贈，並引舉蘇東坡《送與可出奇陵州》那首七言律詩為證。
根據化學原理解釋，“怪石墨竹”處的紫色岩石，含化學元素鉀，鉀的化學性活潑，容易與水發生劇烈反應，可能生成氫氧化鉀。龍岩泉水可能和指示劑石蕊有相似的化學成分， 石蕊遇氫氧化鉀顯墨藍色， 看上去酷似黑色。
“銀狐洞”的成因
1991年7月1日，距北京70公裏的西南郊房山區佛子莊鄉下英水村，采煤掘進岩石巷道時，巧遇溶洞，即今日已正式對外開放的銀狐洞。
該洞深入地下100多米，主洞、支洞、水洞、旱洞、季節河、地下河，洞連洞，洞套洞，縱橫交錯，上下貫通。專家學者一致認為，這是我國北方最好的溶洞。
銀狐洞內既有一般洞穴中常見的卷曲石、壁流石、石珍珠、石葡萄、石瀑布、石枝、石花、石蘑、石幔、石盾、石旗、穴珠、鵝管等，還有一般洞穴中少見的雲盆、石鍾、大型邊槽石壩、仙田晶花、方解石晶體。
令人不解的是，洞內石花數量驚人，形狀奇異。洞頂、洞壁，以及支洞深處的仙田裏，菊花狀、鬆柏枝葉態、刺蝟樣的石花密布。為何獨此洞石花如此之多，卻不得而知。
在一個人必須四肢貼地才能鑽進去的小洞口，沿狹窄的洞壁前行十來米，是三叉支洞的交彙處。此處，洞頂密布著大朵石菊花，洞底有個一米高的石台，一個長近兩米，形似雪豹頭銀狐身的大型晶體，從洞頂垂到洞底，通體如冰琢玉雕般潔白晶瑩，並且布滿絲絨狀的毛刺，密密麻麻，潔白純淨，毛刺一、二寸長不等。
此種形態及顏色，此前洞穴專家亦見所未見，聞所未聞，在世界上是首次發現。
對“銀狐”的成因，人們有不同的說法。
部分專家認為，“銀狐”是由於霧噴而後疑聚形成的。另一部分專家則認為，絲絨般的毛狀晶體是含有這種物質的水，從內部通過毛細現象滲透到外部而形成的。也就是說，前者持外部成因論，後者持內部成因論，究竟孰是孰非，亦或二者都不是，目前還無法解釋。
奇特的化石印跡
1997 年3月20 日，新疆烏魯木齊市紅山發現了一塊奇特的化石。化石岩麵上有個很像人類鞋印的印跡，印跡跟部有一條小古鱈魚。
該化石出土於晚古生代二疊紀內陸湖盆的灰岩、頁岩、油頁岩地層中，距今約2.7 億年。鞋印的印跡全長26 厘米，前端最寬處10 厘米，跟部寬5 厘米，前寬後窄，並有雙重縫印，形態酷似人類左腳穿著皮鞋的鞋印。鞋印內有一條頭朝鞋跟部、體長13厘米的古鱈類小魚。標本背麵部分劈開，能看到鞋印受外力擠壓後形成的砂土粘連層，前部厚2 厘米，中部厚1.5 厘米。劈開後的另一塊岩石麵上，還有一條大鱈魚。它與鞋印約成90°，埋藏於底部。劈開時，大鱈魚的頭、腹粘連於鞋印背麵，鱈魚背、背鰭、尾部均清晰可見。