من المعروف أنه في الطبقات الهوائية المجاورة لسطح الأرض (طبقة التروبوسفير)، تتناقص درجة الحرارة بازدياد الارتفاع، ويكون هذا الانخفاض خطياً (الشكل (2-4) المنحني (I) وميل الانقلاب في هذا المنحني سلبياً. لكن يحدث أحياناً في بعض الشروط المناخية تغيراً لهذا المنحى، حيث ينجم عن التبريد الليلي لسطح الأرض وللكتل الهوائية القريبة، سيطرة لحركات الهبوط الهوائي في شروط من الركود الجوي لحركة الرياح، مما ينتج عنه وابتداءً من ارتفاعات معينة أن يصبح ميل الانقلاب لتغير درجة الحرارة مع الارتفاع إيجابياً. أي أنه، ابتداءً من ارتفاعات معينة ومع زيادة الارتفاع تزداد سخونة الهواء ليعود لطبيعته ويصبح ميل الانقلاب سلبياً بعد اجتياز مسافة محدد لاتزيد سماكتها عن 200 متر (الشكل (2-4)، المنحى II).

يدعى هذا التغير في الشروط الحرارية بالانقلاب الحراري، وتسمى الطبقة التي يلاحظ فيها زيادة درجة الحرارة مع الارتفاع (منطقة الانقلاب الإيجابي) بمنطقة الانقلاب الحراري، حيث يتميز الغلاف الجوي في هذه المنطقة بثبات كبير، كونها تحد من الدوران الرأسي أو العمودي للهواء، وينتج عن ذلك ركود هوائي بالإضافة الى حجز ملوثات الهواء المحلية. يمكن أن يتشكل الانقلاب الحراري أثناء الليل بالقرب من الطبقة الأرضية ويزول بظهور أشعة الشمس وتسخين الكتلة الغازية، لكنه قد يدوم يوماً كاملاً أو عدة أيام متتالية عندما يكون الجو ملبداً بالغيوم وأشعة الشمس الضعيفة، بالإضافة إلى الاستقرار في سرعة الرياح وعدم وجود الأمطار.

يحدث الانقلاب الحراري بتأثير عدة عوامل ، وبشكل أساسي عند تصادم كتلة هواء ساخنة (جبهة دافئه مع كتلة هوائية باردة جبهة باردة)، حيث تطغى الكتل

الهوائية الباردة مشكلة بذلك انقلاباً حرارياً. يمكن تصنيف الانقلاب الحراري إلى:

 أ- الانقلاب الإشعاعي Radiation Conversion يحدث عند المساء وقريباً من سطح الأرض، نتيجة الانخفاض المفاجئ في درجة الحرارة، خاصة في المناطق المتصحرة ذات الهواء الساكن حيث يتوقف سطح الأرض عن استقبال أشعة الشمس ليبرد بشكل أسرع من الهواء في الطبقات الجوية الأعلى، فتتوجه إلى الطبقات العليا كونها أقل كثافة وتفقد حرارتها ببطء بسبب انخفاض عملية النقل الحراري بالتماس في جزيئات الهواء.

 ب- الانقلاب الهبوطي Subsidence inversion يحدث بعيداً عن سطح الأرض مئات الأمتار في المناطق ذات الضغط المرتفع، كما في الوديان، حيث تهبط الكتل الهوائية الباردة عند المساء من المستويات السطحية العليا (قمة الجبال باتجاه الوديان لتستقر تحت الكتل الهوائية الساخنة، والتي بصعودها تصطدم بطبقات الضغط المرتفع مما يساهم بتشكيل طبقة انقلاب حراري على ارتفاع عدة مئات من الأمتار عن سطح الأرض. يمكن أن يترافق في بعض الأحيان هذا الانقلاب مع الانقلاب الاشعاعي ليصبح بذلك انقلابا واسع الانتشار.

ت- الانقلاب البحري (Marine Inversion): يتشكل خلال أشهر الصيف عندما يتصادم الهواء البارد المحمل بالرطوبة من المحيط أو عمق البحر إلى الشاطيء ذات الهواء الدافيء والجاف نسبياً.

يساهم الانقلاب الحراري بزيادة التأثير الملوث لملوثات الهواء، حيث يتميز الغلاف الجوي بثبات كبير في منطقة الانقلاب الحراري، بالإضافة إلى أن وجوده لا يمنع فقط هروب الملوثات أو انتشارها، إنما يلعب دور خزان لتجميع الملوثات المضافة والتي يمكن أن تتفاعل مع بعضها وبوجود أشعة الشمس لتنتج مواد أو ملوثات أخرى قد تكون ذات خواص أكثر خطورة. من جهة أخرى، يعرف أنه كي يرتفع الدخان الساخن في الهواء يجب أن يصادف حوله جواً أكثر برودة، أما إذا تصادف بطبقة جوية مرتفعة الحرارة أو قريبة منه في درجة حرارتها فإنها تعيق صعوده وبالتالي فإن طبقة الانقلاب الحراري تشكل حاجزاً مانعاً لا يسمح للهواء المرتفع إلى الأعلى من تجاوزه، وبذلك يعيق انتشار الملوثات شاقولياً ليبقيها متمركزة تحت أو ضمن طبقة الانقلاب. وهنا لا بد من الإشارة إلى فوائد مداخن المعامل ذات الارتفاع الكبير والقطر المناسب (الشكل (2-5)) لأنها تضمن درجة حرارة وقوة صاعدة تكونان كافيتين كي تتمكن أعمدة الدخان المنطلق من اجتياز طبقة الانقلاب الحراري.