Гениальная теория восходящих и нисходящих токов воздуха, предложенная Ломоносовым, предвосхитила разработанное лишь в XX веке учение о смене воздушных масс и взаимодействии теплого тропического потока воздуха и арктического холодного. То, что Ломоносов называл «вышшей Атмосферой», и представляет собой движение масс арктического воздуха, спускающегося вниз (так называемые фронтальные грозы), а вихреобразные движения теплого воздуха, также вызывающие развитие атмосферного электричества (термические грозы), находили объяснение у Ломоносова в движениях «нижней Атмосферы».
Предложенное Ломоносовым истолкование явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы, произвело большое впечатление на Леонарда Эйлера, который сумел оценить всё принципиальное значение ломоносовской постановки вопроса. «То, что остроумнейший Ломоносов предложил относительно течения этой тонкой материи (т. е. электричества. — Л. М.)в облаках, должно принести величайшую помощь тем, кто хочет приложить свои силы для выяснения этого вопроса. Отличны его размышления об опускании верхнего воздуха и о внезапно происходящем от этого жесточайшем морозе. Что, действительно, в верхней атмосфере свирепствует самый сильный холод, доказывает более чем достаточное число наблюдений; а как этот крайне холодный воздух побуждается к опусканию, мне кажется возможным вывести из самых достоверных положений гидростатики», — писал Л. Эйлер 22 января 1754 года в Академию наук.
Рассуждения Ломоносова о восходящих и нисходящих токах воздуха, о движении больших воздушных масс, в сочетании с его учением о теплоте и упругой силе газов, положили начало научного познания строения и динамики атмосферы. Замечательные мысли Ломоносова о движении различных токов воздуха нашли свое окончательное раскрытие и завершение в трудах великого русского ученого, создателя аэродинамики, отца русской авиации Николая Егоровича Жуковского.
Ломоносов уделял большое внимание изучению верхних слоев атмосферы и после произнесения своего «Слова о явлениях воздушных». Для этой цели он изобретает небольшой аппарат для подъема на значительную высоту метеорологических приборов. Представленный им 5 марта 1754 года проект и рисунок этой «машины» заслужил одобрение Конференции, которая и постановила «приказать реченную машину по приложенному к сему рисунку для опыта сего изобретения сделать под его господина автора смотрением». 1 июля того же года Ломоносов уже демонстрировал свою, как он ее называл, «аэродромную машину», «имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение горизонтально в разные стороны заведенной часовою пружиною, сжимать воздух и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикрепленными к этой аэродромной машине».
Протоколом засвидетельствовано, что при заведенной пружине машина «быстро поднималась вверх». Ломоносов, со своей стороны, обещал работать над дальнейшим ее усовершенствованием, чего, по его мнению, можно было достигнуть, «если взять пружину побольше, если увеличить расстояние между крыльями и если коробка, содержащая пружину, для уменьшения весу будет сделана из дерева». Таким образом, Ломоносов был первым изобретателем действовавшего летательного прибора тяжелее воздуха, являющегося прообразом новейших геликоптеров (вертолётов). В то же время ему принадлежит приоритет в отношении идеи зондирования верхних слоев атмосферы и забрасывания в них самопишущих приборов для метеорологических целей, что осуществляется в наше время с помощью шаров-зондов.
Мысль о создании и усовершенствовании приборов для метеорологических наблюдений занимала Ломоносова давно. Еще в 1749 году он описал новый тип анемометра (прибора для определения силы ветра) в виде колеса с лопастями, половина которого была закрыта от действия ветра. Через десять лет, в 1759 году, Ломоносов в «Рассуждении о большей точности морского пути» среди десятка изобретенных им новых приборов сообщает и об остроумном «воздушном барометре», в котором он постарался исключить влияние температуры на упругость воздуха.
Изучение верхних слоев атмосферы входило в общий круг метеорологических интересов и наблюдений Ломоносова. В своем «Слове о явлениях воздушных» Ломоносов делает целый ряд замечаний, относящихся к самым различным областям теоретической и прикладной метеорологии и климатологии, только еще складывавшихся в то время в самостоятельные научные дисциплины. Он ставит вопрос о главнейших факторах климата и в особенности указывает на смягчающее действие моря, на то, что «по повсядневным примечаниям известно, что жестокость мороза в воздухе из глубины моря дышущими бурями умягчается», что морские ветры (Ломоносов их перечисляет) в Петербурге, Архангельске и Охотске «свирепость зимнего холода укрощают, принося дождливую погоду». Он совершенно правильно объясняет это тем, что температура морской воды «выше или около предела замерзания сохраняется для великого пространства моря». И потому моря сообщают воздуху больше теплоты, «нежели матерая земля, мерзлым запертая черепом и засыпанная глубокими снегами». Поэтому-то «в Камчатке от полудни, востока и запада морским ветрам подлежащей, от севера высокими горами покрытой, редко сильные морозы приключаются, между тем среди Сибири лежащие земли под тою же с нею широтою через всю зиму проницательной мороз терпят и редко оттепели имеют».
Ломоносов черпал эти наблюдения из живого народного опыта поморов и замечаний, сделанных путешественниками. Но он стремился превратить эти наблюдения в факты науки. Он увидел в них закономерности, которые легли в основу учения о климате. Ломоносов придавал метеорологии и климатологии огромное, прежде всего народнохозяйственное значение.
Изучение метеорологических явлений и основанное на этом изучении предсказание погоды было для него «великое дело», которое «гор златых достойно».
С редкой проницательностью Ломоносов указывал на значение метеорологических наблюдений для сельского хозяйства и мореплавания. В своем «Письме о пользе Стекла» Ломоносов мечтает о таком времени, когда с помощью барометров и других метеорологических приборов можно будет повсеместно «предвозвещать»:
Эту же мысль о важности метеорологических прогнозов Ломоносов развивает и поддерживает и в своем «Рассуждении о большей точности морского пути» (1759): «Предзнание погод, коль нужно и полезно, на земли ведает больше земледелец, которому во время сеяния и жатвы вёдро, во время ращения дождь благодарственный теплотою надобен. На море знает плаватель, которому коль бы великое благополучие было, когда б он всегда указать мог на ту сторону, с которой долговременные потянут ветры или внезапная ударит буря». В этих словах явственно слышится голос помора, выходца из тех стран, где земледелие и мореходство шли рука об руку.
Ломоносов не ограничивается тем, что разъясняет значение и возможную практическую пользу метеорологической науки.
В области метеорологии Россия шла впереди Западной Европы. В 1706 году Петр I, развернув строительство новой столицы, распорядился вести регулярные наблюдения над вскрытием и замерзанием Невы. С 1726 года Петербургская Академия наук стала производить систематические наблюдения над температурой воздуха, а с 1741 года над осадками, тогда как в Западной Европе только около 1780 года были установлены регулярные и единообразные метеорологические наблюдения.