As variáveis temperatura, pressão e densidade, conhecidas como variáveis de estado, são relacionadas nos gases pela chamada lei dos gases ideais. Por definição, um gás ideal segue a teoria cinética dos gases exatamente, isto é, um gás ideal é formado de um número muito grande de pequenas partículas, as moléculas, que tem um movimento rápido e aleatório, sofrendo colisões perfeitamente elásticas, de modo a não perder quantidade de movimento. Além disso, as moléculas são tão pequenas que as forças de atração entre elas são omissíveis. Embora a lei dos gases tenha sido deduzida para gases ideais, ela dá uma descrição razoavelmente precisa do comportamento da atmosfera, que é uma mistura de muitos gases.

        A lei dos gases pode ser expressa como:

(4.1)

onde p,  e T são pressão, densidade e temperatura absoluta. R é a constante do gás. Para o ar seco (sem vapor d’água).

(4.2)

        A equação (4.1) pode ser modificada de modo a ser aplicável ao ar úmido, conforme será visto no próximo capítulo.

        A lei dos gases afirma que a pressão exercida por um gás é proporcional a sua densidade e temperatura absoluta. Assim, um acréscimo na temperatura ou na densidade causa um aumento na pressão, se a outra variável (densidade ou temperatura) permanece constante. Por outro lado, se a pressão permanece constante, um decréscimo na temperatura resulta em aumento na densidade e vice versa.

        Pode parecer, a partir do parágrafo anterior, que em dias quentes a pressão será alta e em dias frios será baixa. Contudo, isto não ocorre necessariamente. A dependência da pressão em relação a duas variáveis interdependentes (densidade e temperatura) complica o assunto. Como na atmosfera o volume de ar pode variar, variações na temperatura afetam a densidade do ar, isto é, a densidade varia inversamente com a temperatura. Em termos da lei dos gases isto significa que o aumento da temperatura não é normalmente acompanhado por um aumento na pressão ou que decréscimo de temperatura não está usualmente associado com pressão mais baixa. Na realidade, por exemplo, sobre os continentes em latitudes médias as pressões mais altas são registradas no inverno, quando as temperaturas são menores. A lei dos gases ainda é satisfeita porque a densidade do ar neste caso cresce (número maior de moléculas) quando a temperatura diminui (menor movimento das moléculas) e mais do que compensa esta diminuição. Assim, temperaturas mais baixas significam maiores densidades e freqüentemente maiores pressões na superfície. Por outro lado, quando o ar é aquecido na atmosfera, ele se expande (aumenta seu volume), devido a um movimento maior das moléculas e sua densidade diminui, resultando geralmente num decréscimo da pressão.

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