Фізичний стан повітря визначається тиском Р, температурою Т та об’ємом V. Ці три характеристики залежні одна від одної. Гази стискуються, тому густина їх змінюється у великих межах залежно від Р і Т. Для ідеального газу зв’язок між цими величинами виражається рівнянням стану газів або рівнянням Клапейрона-Менделєєва
РV = R*T,
де R* - універсальна газова стала, яка в системі СІ дорівнює 8,314 Дж/кмоль · К). Це рівняння можна написати і так:
Р = ρRT
бо ρ – густина газу обернена об’єму V = 1/ρ. Звідки
ρ = Р / R*T
Для будь-якого не ідеального газу R = R* / М, де М – молярна маса газу. Тому рівняння стану газів можна використати для сухого, вологого повітря і для водяної пари. Для сухого повітря М = 28, 964 · 10-3 кг/моль то Rс для 1 кг повітря дорівнює 287 Дж/кгК, а рівняння стану
ρс = Р / RсT
Густина сухого повітря при нормальних умовах буде
ρс = 101325 Па /287 Дж/кгК∙273 0К= 1,293 кг/м3
Для вологого повітря густина його сухої частини буде
ρс = Р- е / RсT,
а густина водяної пари ρп = е / RпT
Для водяної пари М = 18, 02 · 10-3 , а Rп = 461,5 Дж (кгК).
Співвідношення газової сталої водяної пари та сухого повітря буде Rп / Rс = 461,5/287 = 1/0,622. Отже, Rп = Rс /0,622.
Тому
ρп = 0,622 ·е / RсT
Отже, густина вологого повітря буде
ρвл = ρс + ρп
Підставивши їх значення одержимо
ρвл = Р - е / RсT + 0,622 е / RсT = Р / RсT (1-0,378 ·е / р)
Оскільки е/р дуже мале значення, то 1 – 0,378 е/р можна замінити на 1 / 1+0,378 е/р, тому одержимо
ρвл = Р / RсT (1+0,378 е/р)
Замінимо Т (1+0, 378 е/р) на Тв. Тв – це віртуальна температура. Це температура, яку повинно мати сухе повітря, щоб його густина дорівнювала густині вологого повітря при тому ж атмосферному тиску. Звідси
ρвл = Р / RсTв
З останнього рівняння видно, що густина вологого повітря менша, ніж сухого. Але різниця мала. Так, густина сухого повітря при 00С і Р = 100 000 Па дорівнює 1, 276 кг/м3, а вологого повітря – 1, 273 кг/м3.
При вищих температурах різниця збільшується, але залишається невеликою. Отже, водяна пара легша за повітря.
Густина повітря з висотою зменшується, тому що зменшується і тиск і температура. Густина повітря прямо пропорційна тиску і обернено пропорційна температурі. В результаті сумісної дії зміни тиску і температури густина з висотою зменшується, але не так швидко як тиск. В середньому для Європи густина повітря біля поверхні 1,250 кг /м3 на висоті 5 км становить 0,74 кг /м3, на висоті 10 км – 0,41 кг /м3, на 20 км – 0,09 кг/м3, на 300 км – 10-11 кг/м3, на 500 км – 10-12 кг/м3, на 750 км – менше 10-13 кг /м3. Це дуже мала густина, але все ж таки на висоті 20 тис км густина повітря залишається значно більшою, ніж у міжпланетному просторі.
У зв’язку з оберненопропорційною залежністю від температури в окремих тонких шарах атмосфери, де температура знижується на 3,40/100 м густина повітря з висотою не змінюється, а якщо температура знижується більше ніж на 3,40/100 м то густина повітря в цьому шарі збільшується з висотою.
Якби густина повітря з висотою не змінювалась і атмосферний тиск залишався 1013 гПа, то висота атмосфери дорівнювала б 8000 м. Ця висота називається висотою однорідної атмосфери.