Процесс перехода пара в жидкое состояние в атмосфере и на земной поверхности называется конденсацией, а превращение пара непосредственно в твердое состояние (без жидкой фазы) — сублимацией. По-разному идет процесс конденсации в очищенном от примесей воздухе и при их наличии. Лабораторные опыты показали, что в чистом воздухе капельки воды начинают образовываться только при 6—8-кратном пересыщении паром в результате объединения молекул водяного пара. Атмосфера Земли всегда содержит множество гигроскопических частиц, которые и становятся ядрами конденсации. На них активно сгущается водяной пар при относительной влажности около 100 % и менее. Для того чтобы водяной пар в атмосфере начал конденсироваться, необходим ряд условий: существование ядер конденсации, понижение температуры воздуха до определенных значений, обусловленное охлаждением деятельной поверхности и прибегающих слоев воздуха, соприкосновение теплого воздуха с холодной деятельной поверхностью, смещение двух масс воздуха с разной температурой и поднятие воздуха.

Соприкасясь с холодной почвой, воздух охлаждается и в зависимости от ряда условий образует росу, иней, жидкий или твердый налет, кристаллическую изморозь. Роса и иней чаще всего появляются осенью в ясные или малооблачные ночи при слабом ветре. В местах с повышенной влажностью роса и иней наиболее обильны. Роса дает дополнительную влагу растениям, за одну ночь роса образует в среднем слой воды в 0,1–0,3 мм.

Выпадение переохлажденного дождя или мороси на холодную поверхность может привести к возникновению гололеда — слоя прозрачного или мутного льда, образующегося на поверхности Земли. Обычное время формирования гололеда осень или ранняя весна, когда температура воздуха близка к 0–5°. Скопление капель или кристаллов (или тех и других вместе), взвешенных в воздухе, непосредственно над поверхностью Земли создает туман. При тумане горизонтальная видимость становится менее 1 км. Туман состоит из капелек воды. Известны частые морские туманы, например, у берегов Ньюфаундленда, у места встречи теплого Гольфстрима с холодным Лабрадорским течением. Туманы также наблюдаются в дальневосточных морях нашей страны — Японском и Охотском в условиях смыкания теплого Цусимского течения с холодным Приморским. Возникают туманы над незамерзающими участками морей, озерами, реками, болотами. Городские туманы (особенно в крупных и промышленных городах) распространяются обычно на значительные расстояния от границ города. Но за городом они реже. Так, в Москве число дней с туманами в несколько раз больше, чем в пригородах. Больше всего туманов бывает в ночные часы и меньше всего — после полудня. Над материками туманы чаще осенью, а над морями и океанами — весной.

Разрабатывается ряд методов для искусственного создания и рассеяния тумана, чтобы защитить растения от заморозков. С этой целью в воздух нужно ввести ядра конденсации (гигроскопические кислоты или соли), на них образуются капельки воды, т. е. туман. Рассеяние тумана особенно важно для авиации. Для этого предложено несколько методов. Например, можно нагревать воздух над взлетно-посадочной площадкой. Другой способ состоит в воздействии на туманы охлаждающими веществами, например твердой углекислотой. При этом окружающий воздух быстро охлаждается, водяной пар кристаллизуется на частицах и выпадает в виде ледяных кристаллов. А в толще тумана за счет этого образуются достаточно большие просветы, необходимые для взлета или посадки самолета. Хотя эти методы и дорогостоящие, по работа и поиск наиболее эффективных из них продолжается.

Видимое скопление продуктов конденсации и сублимации в свободной атмосфере — это и есть облако. Такое «сухое» определение означает удивительное по красоте и разнообразию явление, имеющее очень большое значение. Ведь именно из облаков выпадают дождь и снег, в них возникают грозы, с ними связан приток лучистой энергии, а значит, и тепло Земли, воды и самого воздуха. Облака отличаются от туманов тем, что образуются в более высоких слоях, чаще всего при восходящих потоках воздуха.

Облака различны не только по виду, но и по строению. Различают три основных класса облаков: кучевые, волнистые и слоистые. Это подразделение основано на условиях, при которых они возникают. Поэтому исследование форм облаков имеет очень большое значение для знания состояния атмосферы и прогноза погоды, в частности осадков.