大氣遙感分為被動式大氣遙感和主動式大氣遙感兩大類。被動式大氣遙感它是利用大氣本身發射的輻射或其他自然輻射源發射的輻射同大氣相互作用的物理效應，進行大氣探測的方法和技術。這些輻射源是：
1.星光以及太陽的紫外、可見光和紅外輻射信號。
2.鋒麵、台風、冰雹雲、龍卷等天氣係統中大氣運動和雷電等所激發的重力波、次聲波和聲波（見大氣聲學）輻射信號，其頻率範圍為10-4-104赫。
3.大氣本身發射的熱輻射信號，主要是大氣中二氧化碳在4.3微米和1.5微米吸收帶的紅外輻射；水汽在6.3微米和大於18微米吸收帶的紅外輻射，以及在0.164厘米和1.35厘米吸收帶的微波輻射；臭氧在9.6微米吸收帶的紅外輻射和氧在0.5厘米吸收帶的微波輻射等。
4.大氣中閃電過程以及雲中帶電水滴運動、碰並、破碎和冰晶化（見雲和降水微物理學）過程所激發的無線電波信號，其頻率範圍為100-109赫。被動式大氣遙感探測係統主要由信號接收、分析和結果顯示等3部分所組成。由於這種遙感不需要信號發射設備，探測係統的體積、重量和功耗都大為減小。被動式大氣遙感技術從60年代開始即用於氣象衛星探測，獲得了大氣溫度、水汽、臭氧、雲和降水、雷電、地-氣係統輻射收支等全球觀測資料。但是，被動式大氣遙感係統探測器所接收到的，是探測器視野內整層大氣的大氣信號的積分總效應，要從中足夠精確地反演出某層大氣成分或氣象要素鉛直分布（廓線）的精細結構還很困難。比較成功的方法有2種：一種是頻譜法，即觀測分析大氣信號的頻譜，以反演大氣成分和氣象要素廓線；另一種是掃角法，即觀測大氣信號某一物理特征在沿探測器不同方位視野上的分布，以反演大氣成分和氣象要素的廓線。
主動式大氣遙感它是由人采用多種手段向大氣發射各種頻率的高功率的波信號，然後接收、分析並顯示被大氣反射回來的回波信號，從中提取大氣成分和氣象要素的信息的方法和技術。主動式大氣遙感有聲雷達、氣象激光雷達、微波氣象雷達和甚高頻和超高頻多普勒雷達等。這些雷達都能發射很窄的脈衝信號。激光氣象雷達發射的光脈衝寬度隻有10納秒左右，利用它探測大氣，空間分辨率可高達1米左右。此外，雷達脈衝信號發射的重複頻率，已經高達104赫以上，應用信號檢測理論和技術，可以有效地提高探測精度和距離。在量子無線電物理和技術發展以後，雷達能夠發射頻率十分單一、穩定且時空相幹性非常好的波信號。由此產生的大氣信號回波的多普勒頻譜結構非常精細，從中可以精確地分析出風、湍流、溫度等氣象信息。這些都是主動式大氣遙感的突出優點，但由於增加了高功率的信號發射設備，探測係統的體積、重量和功耗比被動式大氣遙感要增加幾十倍以上，因此較多地應用於地麵大氣探測和飛機探測。它可提供從幾公裏到幾百公裏範圍內大氣的溫度、濕度、氣壓、風、雲和降水、雷電、大氣水平和斜視能見度、大氣湍流、大氣微量氣體的成分等分布的探測資料，是研究中小尺度天氣係統結構和環境監測的有效手段。隨著空間實驗室、航天飛機等空間技術的發展，主動式大氣遙感應用於空間大氣探測的現實性也愈來愈大。
7.電離層
地球大氣的一個電離區域。60千米以上的整個地球大氣層都處於部分電離或完全電離的狀態，電離層是部分電離的大氣區域，完全電離的大氣區域稱磁層。也有人把整個電離的大氣稱為電離層，這樣就把磁層看作電離層的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有電離層，土星、天王星、海王星和冥王星的電離層結構，有待進一步探測研究。
為解釋地磁場的變化，19世紀時，C.F.高斯和開爾文等提出高空存在導電層的設想。1924年，SirE.V.阿普爾頓等通過對無線電波回波的接收，證實了電離層的存在。R.A.沃森-瓦特於1926年首先提出“電離層”這一名稱。1925年，G.布雷特和M.A.圖夫發明的電離層垂直探測儀，是地麵探測電離層的基本設備，為後來積累了大量的實測資料，為電離層研究起了重要的作用。1949年首次在V-2火箭上安裝朗繆爾探針直接探測電離層，開創了直接探測的先例。1925-1932年，阿普爾頓和D.R.哈特裏等人創立的磁離子理論，為研究電波在電離層中的傳播奠定了理論基礎。1931年，S.查普曼提出電離層形成理論，極大地推動了電離層的研究。電離層研究極大地促進了短波通信的發展。
電離層的形成：地球高層大氣的分子和原子，在太陽紫外線、Χ射線和高能粒子的作用下電離，產生自由電子和（正、負）離子，形成等離子體區域即電離層。電離層從宏觀上呈現中性。電離層的變化，主要表現為電子密度隨時間的變化。而電子密度達到平衡的條件，主要取決於電子生成率和電子消失率。電子生成率是指中性氣體吸收太陽輻射能發生電離，在單位體積內每秒鍾所產生的電子數。電子消失率是指當不考慮電子的漂移運動時，單位體積內每秒鍾所消失的電子數。帶電粒子通過碰撞等過程又產生複合，使電子和離子的數目減少；帶電粒子的漂移和其他運動也可使電子或離子密度發生變化。
電離層結構：可用電離層特性參量電子密度、離子密度、電子溫度、離子溫度等的空間分布來表征。但其研究主要是電子密度隨高度的分布。電子密度（或稱電子濃度）是指單位體積的自由電子數。電子密度隨高度的變化與各高度上大氣成分、大氣密度以及太陽輻射通量等因素有關。
電離層在垂直方向上呈分層結構，一般劃分為D層、E層和F層，F層又分為F1層和F2層。最大電子密度約為106厘米-3，大約位於300千米高度附近。除正規層次外，電離層區域還存在不均勻結構，如偶發E層（Es）和擴展F。偶發E層較常見，是出現於E層區域的不均勻結構。厚度從幾百米至一二千米，水平延伸一般為0.1-10千米，高度大約在110千米處，最大電子密度可達106厘米-3。擴展F是一種出現於F層的不均勻結構，在赤道地區，常沿地磁方向延伸，分布於250-1000千米或更高的電離層區域。
電離層分層結構隻是電離層狀態的理想描述，實際上電離層總是隨緯度、經度呈現複雜的空間變化，並且具有晝夜、季節、年、太陽黑子周等變化。由於電離層各層的化學結構、熱結構不同，各層的形態變化也不盡相同。
太陽擾動以及其他原因導致對電離層正常狀態的顯著偏離。太陽擾動引起的電離層騷擾主要有電離層突然騷擾、電離層暴、極蓋吸收、極光帶吸收等。人為因素如核爆炸、大功率發射機對電離層加熱也能引起電離層騷擾。電離層騷擾對無線電波傳播會產生嚴重影響。
1.電離層突然騷擾。太陽色球在耀斑爆發期間發出強烈的紫外線和Χ射線輻射，使D層的電子密度突然增大，對通訊造成嚴重影響，甚至中斷。突然騷擾持續時間一般為幾分鍾至幾小時。
2.電離層暴。F2層狀態的異常變化。
3.極蓋吸收。在強烈的太陽耀斑爆發時，由太陽噴射出來的高能質子流沿地磁力線沉降到極蓋區上空，使D層的電離急劇增大，以至通過該區的無線電波被強烈吸收，常造成無線電通訊中斷。
4.極光帶吸收。來自太陽擾動區的高能電子和質子沉降到極區上空，使極光帶低電離層的電離增強，以至通過該區域的電磁波被強烈吸收。極光帶吸收甚至使電波訊號中斷。
電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關，如無線電通訊、廣播、無線電導航、雷達定位等。受電離層影響的波段從極低頻（ELF）直至甚高頻（VHF），但影響最大的是中波和短波段。電離層作為一種傳播介質使電波受折射、反射、散射並被吸收而損失部分能量於傳播介質中。3-30兆赫為短波段，它是實現電離層遠距離通訊和廣播的最適當波段，在正常的電離層狀態下，它正好對應於最低可用頻率和最高可用頻率之間。但由於多徑效應，信號衰落較大；電離層暴和電離層突然騷擾，對電離層通訊和廣播可能造成嚴重影響，甚至訊號中斷。300千赫至3兆赫為中波段，廣泛用於近距離通訊和廣播。
8.大氣輻射
大氣吸收地麵長波輻射的同時，又以輻射的方式向外放射能量。大氣這種向外放射能量的方式，稱為大氣輻射。由於大氣本身的溫度也低，放射的輻射能的波長較長，故也稱為大氣長波輻射。
大氣輻射的方向既有向上的，也有向下的。大氣輻射中向下的那一部分，剛好和地麵輻射的方向相反，所以稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射是地麵獲得熱量的重要來源。由於大氣逆輻射的存在，使地麵實際損失的熱量比地麵以長波輻射放出的熱量少一些，大氣的這種保溫作用稱為大氣的溫室效應。這種大氣的保溫作用使近地表的氣溫提高了約18℃。月球則因為沒有象地球這樣的大氣，因而，致使它表麵的溫度晝夜變化劇烈，白天表麵溫度可達127℃，夜間可降至-183℃。
9.大氣湍流
大氣湍流是大氣中的一種重要運動形式，它的存在使大氣中的動量、熱量、水氣和汙染物的垂直和水平交換作用明顯增強，遠大於分子運動的交換強度。大氣湍流的存在同時對光波、聲波和電磁波在大氣中的傳播產生一定的幹擾作用。
在大氣運動過程中，在其平均風速和風向上疊加的各種尺度的無規則漲落。這種現象同時在溫度、濕度以及其他要素上表現出來。大氣湍流最常發生的3個區域是：大氣底層的邊界層內；對流雲的雲體內部；大氣對流層上部的西風急流區內。
大氣湍流的條件：大氣湍流的發生需具備一定的動力學和熱力學條件：其動力學條件是空氣層中具有明顯的風速切變；熱力學條件是空氣層必須具有一定的不穩定度，其中最有利的條件是上層空氣溫度低於下層的對流條件，在風速切變較強時，上層氣溫略高於下層，仍可能存在較弱的大氣湍流。理論研究認為，大氣湍流運動是由各種尺度的渦旋連續分布疊加而成。其中大尺度渦旋的能量來自平均運動的動量和浮力對流的能量；中間尺度的渦旋能量，則保持著從上一級大渦旋往下一級小渦旋傳送能量的關係；在渦旋尺度更小的範圍裏，能量的損耗起到了主要的作用，因而湍流渦旋具有一定的最小尺度。在大氣邊界層內，可觀測分析到最大尺度渦旋約為1千米到數百米；而最小尺度約為1毫米。
10.空氣微團
大氣微團在氣象上的含義是大氣中的一團很小的空氣。它小到這種程度，以致我們必須在氣象科學的意義下把它看作是一個點。它僅有唯一的氣象參量值，例如有唯一的溫度、氣壓值和風速值。而整個大氣是由極其眾多的大氣微團組成的。
在大氣中，我們取一升空氣或說取一克空氣作為一個大氣微團看待完全是恰當的。由於大氣總質量約為1021克。這時我們看到大氣總體是由大約1021個大氣微團組成的。換言之，大氣總體是由極其眾多的大氣微團組成的。這與統計物理中經常研究N個粒子，而N值經常理解為具有阿伏加德羅常數的數量級（1023）是十分相近的。
我們還要指出空氣微團也必須充分大。因為如果把微團取的與空氣分子一樣的大小，那麼溫度、氣壓、風速這些氣象變量就失去了意義。因而微團又必須充分大，它要大到溫度、氣壓等變量有意義，要大到氣體狀態方程可以用到這個空氣微團上（這相當於非平衡統計物理中所謂的滿足局域平衡假設）。
在統計物理中把氣體單分子視為僅有三個分量的動能和它的三個坐標這六個變量就能確定其狀態的粒子。對於空氣微團來說要確定它的狀態僅有六個變量是不夠的。因為它除了確定位置的三個變量、確定運動速度的三個風速分量外，至少還有溫度、氣壓、比濕這三個變量。即對於一個空氣微團而言，它要有9個自由度、這說明對大氣微團的研究要比研究分子運動複雜一些。
空氣微團可以類似統計物理中的粒子那樣從統計角度去分析，這就為引用統計物理方法到氣象領域打開了道路。在分析大氣的比濕分布律和風速分布律時我們就是把空氣微團作為統計物理上的基本粒子看待，並找出有關的理論和實際分布律的。