Aunque la temperatura del aire depende del lugar y del momento (por ejemplo, lo próximo o distante que esté el lugar respecto al ecuador, su cercanía o lejanía de la costa, estación del año, hora del día, etc...), en promedio global -espacial y temporal-, la temperatura del aire disminuye con la altura en los primeros kilómetros de la atmósfera. Por ello, el término “inversión térmica” indica un comportamiento contrario en la variación vertical habitual de la temperatura, es decir, un aumento térmico con la altura.

En la Figura 1 se muestra la distribución vertical de la temperatura en la llamada “atmósfera estándar”, definida originalmente por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) en 1956 a partir de medidas climatológicas de lugares de todo el planeta. De acuerdo con esta atmósfera patrón, la temperatura desciende 6.5 ºC por cada kilómetro en los primeros 11 km. Tal comportamiento promedio es debido a que esta región atmosférica se calienta fundamentalmente por convección del calor liberado desde la superficie terrestre, cuya temperatura se debe básicamente a la absorción de radiación solar (y en menor medida también de radiación infrarroja emitida desde la propia atmósfera). Por ello, cuanto más alejadas están las capas de aire de la superficie terrestre menos calor reciben de ésta. No obstante, en ciertas regiones atmosféricas la temperatura aumenta con la altura, siendo esto debido a la absorción de radiación solar ultravioleta por ozono en la estratosfera (longitudes de onda entre 0.2 y 0.3 µm) o por nitrógeno y oxígeno en la termosfera (longitudes de onda inferiores a 0.2 µm).

El límite entre dos masas de aire (el aire caliente y aire frío), llamado superficie frontal, es un área con mucha frecuencia meteorológicamente activa, a la que están asociadas nubes y precipitaciones. La elevación del aire caliente por encima del frente de aire frío no se debe a la diferencia de densidad de las masas de aire presente, sino al empuje de las capas inferiores (convergencia o cizalladura del viento por ejemplo), y/o interacciones con elementos de gran altura cercanos a la tropopausa.

Una capa de la atmósfera con inversión térmica no permite que se produzcan movimientos ascendentes de aire. Por tanto, son zonas de máxima estabilidad atmosférica, dado que el aire de la parte inferior es más frío, así que no asciende al ser más denso o pesado que el aire que está por encima. Consecuentemente, una inversión térmica próxima al suelo impide que los contaminantes producidos por las actividades humanas se dispersen verticalmente o se alejen de la superficie terrestre. Este hecho puede dar lugar a episodios de altos valores de contaminación del aire, con los consiguientes posibles efectos nocivos para la salud humana.

Las inversiones térmicas junto a la superficie terrestre ocurren frecuentemente en noches despejadas de invierno, en calma o con viento débiles, y sobre suelo continental. Estas circunstancias favorecen un enfriamiento muy acusado del suelo (inversiones térmicas de radiación o de superficie). El aire junto al suelo muy frío se enfría por contacto, mientras que el aire más alejado del suelo -al que no llega este efecto- resulta tener una temperatura más alta que el aire que está por debajo. Estas inversiones suelen desaparecer al día siguiente a medida que, tras la salida del Sol, el suelo vuelve a calentarse por absorción de radiación solar, y con ello también se calienta el aire junto al suelo. Este tipo de inversión suele observarse en regiones montañosas, en las que durante la noche el aire frío en superficie desciende por su mayor densidad desde las laderas al valle, favoreciendo con ello la presencia de aire más frío en superficie que el aire por encima de éste.

Por otra parte, fuertes situaciones anticiclónicas en un lugar también favorecen la ocurrencia de inversiones térmicas, pero en este caso no se forman junto a la superficie sino a una determinada altura (en general superior a 500 m). Dichas situaciones de alta presión tienen asociados movimientos descendentes de aire en su parte central, con unas características en su desarrollo que traen consigo el calentamiento de la masa de aire descendente. Esta, tras varios kilómetros de descenso, puede llegar a ser notablemente más cálida y seca que el aire que le rodea tanto por debajo como por encima. A este tipo de inversiones térmicas se les conoce como inversiones térmicas de subsidencia, y suelen cubrir grandes extensiones y ser bastante persistentes.

Otra circunstancia que da lugar a una inversión térmica es la llegada de un frente frío a un lugar (inversión térmica frontal), de tal modo que la masa de aire frío al invadir la región ocupada por aire más cálido, obliga a éste a ascender situándose por encima del aire frío.