當我們從平原地區一下子來到海拔較高的高原，就會明顯感覺到身體不適，比如頭痛、呼吸急促甚至困難、失眠、容易疲倦、食欲不振等，這就是人們常說的出現了高原反應，這種情況，尤其常見於快速進入海拔3000米以上高原地區的人們。高原反應出現的最直接原因，就是人體一下子暴露在低氧的環境中，使人體血液中的氧氣含量也隨之下降，各項生理機能都會受到嚴重影響，從而表現為上述症狀，一些體質不好的人群，還有可能會引發急性的高原病，比如急性高原肺水腫、高原腦水腫等，嚴重的還會危及生命安全。那麼，高海拔地區為何就缺氧了呢？
地球的外圍被濃密的大氣層所包圍，大氣層對於地球來說，既是保證地球溫度始終處於平衡狀態的「保溫被」、也是推動地球實現碳氧循環和生物體生態發展的「生命源」，同時也是阻擋地外有害物質侵入的「阻隔層」，對於地球來說至關重要。從大氣層的厚度來看，通常意義上說的大氣層厚度一般為1000公裡左右，不過它與外太空並沒有明顯的界限，一些地外探測器在高空4000公裡處還能探測到稀薄的大氣分子存在。
我們來看一下地球大氣層的結構。從低到高，科學家們根據大氣氣體分子的密度、溫度和組成等方面的差異，將大氣層分為對流層、平流層、中間層、暖層和逸散層5個層級。關於每個層級的具體特徵和氣體分子特性這裡就不詳細表述了，大家估計都非常清楚。在這5個層級中，對流層對我們的影響最大，我們在地球上的幾乎所有的活動，都是在對流層中完成的，這一層的空氣分子密度最大，雖然只有12公裡左右的厚度，但其質量能達到大氣層所有氣體質量的約75%，特別是水蒸氣幾乎全部分布在這一層，隨著熱冷空氣在這一層的垂直流動，出現了各種氣象條件的變化，雲、霧、雨等現象都發生在這一層內，使地球生命能夠穩定地獲得水、氧氣等要素，從而支撐著生命活動的持續進行。
大氣中的各種氣體的垂直分布，之所以出現這種因高度而逐漸變得稀薄的情況，主要原因就在於地球引力的作用。無論是宇宙間的星體之間，還是地球上的物體與地球之間，都存在著萬有引力的相互作用，同樣，地球的大氣層也不例外。按照萬有引力的計算公式：F＝G*m1*m2/(r^2)，這裡的r為物體距離地球質心的數值。我們可以看出，當一個物體處於地球的地表時，萬有引力只與這個物體與地質質心的距離有關，由於地球是一個近似球體的橢球體，其赤道半徑與極地半徑存在一定的差異，赤道半徑略大，因此物體在赤道上的地表所受到的重力，要比在兩極的地表所受到的重力小一些，這一點通過多種測量方法已經得到證實。
你看，地球的赤道半徑和極地半徑僅差了20公裡，就會引起物體所受引力作用的差異，那麼對於大氣層來說，1000公裡的高度差，氣體分子所受到的重力作用肯定相差很多，越是下部的氣體所受到的引力作用就會越大，因此氣體分子就有在大氣層的下部聚集的趨勢，這是由引力勢能所決定的，只有當氣體分子的總內能很大時，才有可能使平均動能能夠掙脫引力的作用，從而向上部方向遷移。
因此，對於低海拔地區來說，空氣分子所受到的重力作用，就明顯大於高海拔的地區，這就造成了低海拔地區的空氣密度較大，地勢越低，密度也越大，空氣所帶來的大氣壓也越強。據測算，在對流層內，高度如果每上升12米，那麼大氣壓強就會相應降低1個毫米汞柱，這也印證了隨著高度增加空氣分子逐漸減少的事實。那麼，在氣體密度減少的情況下，單位體積空氣中所含有的氧氣量也會隨之減少，因此，我們在突然來到高海拔地區時，就會因氧氣攝入量不足而引發高原反應。
另外，還有一個因素會增加高原地區的氧氣缺乏，那就是密度。在標準狀態下，空氣的密度為1.29kg/m^3，而空氣的主要組成為氮氣、氧氣、氦氖氬氪氙氡等稀有氣體、二氧化碳以及微量的水蒸氣、一氧化碳、臭氧等，其中標準狀態下氧氣的密度為1.43kg/m^3、二氧化碳為1.98kg/m^3，都要比空氣的平均密度要大，因此地勢越低，二氧化碳和氧氣的體積百分比就會越大，二氧化碳的情形比氧氣的這種趨勢還要突出，這也是為什麼很多地窖密封之后里面很容易聚集大量的二氧化碳、氧氣含量不足的原因。
因此，從密度的層面來分析，低海拔地區的氧氣體積比要比高原地區大，據測算，當海拔提升到3500米時，空氣中的氧氣含量要比海平面低25%左右，這在一定程度上也進一步拉低了高海拔地區的氧氣總量。
綜上，我們從空氣的密度和氧氣的體積百分比兩個方面，都可以看出高原地區的氧氣含量要比平原地區降低的非常明顯，對於那些肺活量大、活動能力強的人來說出現高原反應的比例會更高，引發不適甚至疾病的也更多，因為這部分人對於氧氣的需求量要相對較高，而相反老人、小孩和女性的高原反應則不會那麼強烈。