Почему температура изменяется с высотой, а потом это понятие теряет смысл?

Температура - это показатель средней кинетической энергии системы частиц. Это утверждение верно в первом приближении.

В случае газов температура характеризует среднюю скорость движения молекул (опять же в первом приближении, в случае одноатомного газа). В этой системе есть молекулы, которые движутся со скоростью значительно большей, чем средняя по всему множеству. Есть и такие, скорость движения которых намного меньше, чем средняя. Но таких молекул есть незначительное количество. Кроме того, их скорость за очень короткое время становится примерно равной средней по системе в связи с тем, что они сталкиваются с соседними молекулами. "Медленные" молекулы разгоняются более быстрыми, соседними молекулами, быстрые - тормозятся. Идет, так называемый, теплообмен.

На высоте больше 130 км. давление атмосферы очень низкое (судя по справочнику меньше 2,67*10-3) Па. Практически вакуум. Это значит, что длина свободного пробега молекул очень большая. Вероятность столкновений молекул между собой становится очень низкой. Поэтому говорить о какой-то средней скорости молекул в этих условиях (на этой высоте) не имеет смысла. Следовательно, о температуре газа в этих условиях говорить тоже не имеет смысла.

Вот как то так.

Воздух прозрачен и сам нагреваться от солнечных лучей не может. Тепло он получает от поверхности земли. Поэтому чем дальше от поверхности тем холоднее воздух. Вот поэтому на высоте 12км он имеет температуру - 60 градусов. А вот далее воздух сильно разряжен. Молекулы летают с большой скоростью реже сталкиваясь с другими молекулами. Поэтому температура растет. Ведь само понятие температуры - это увеличение скорости движения молекул. Потом начинается сильная ионизация атомов и плюс к этому прибавляется неоднородности газового состава. Все это ведет к уменьшению скорости молекул и уменьшению температуры. А вот далее молекулы кислорода нагреваются солнечным излучением и температура опять растет. И уже на высотах более 130км и выше достигает 1500 градусов.

Добавлю и я немного на эту тему (а другие пусть критикуют). Как известно, температура с высотой изменяется неравномерно. Соответствующий рисунок приведен в ответе Безразличного. Причина такого необычного распределения температуры по высоте заключается в особенности трансформации солнечной энергии в тепловую энергию на разных высотах. При этом нужно учесть, что значительная часть тепловой энергии может приходиться не на молекулы кислорода и азота, а на атомы и свободные радикалы. Например, при уже упоминавшейся высоте 130 км концентрация атомарного кислорода становится равной концентрации молекулярного кислорода, а еще выше атомов кислорода становится больше, чем молекул. В термосфере (высота более 85 км) под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца происходит ионизация молекул N2 и атомов О. Образовавшиеся частицы реагируют далее уже с выделением энергии. При этом образуются в больших количествах катионы NO+ и атомы N (молекула N2 намного прочнее молекулы О2). Особенно много энергии выделяется при захвате электронов ионами. В результате этих реакций происходит разогрев верхних слоев атмосферы. А тримолекулярные реакции рекомбинации практически не идут термосфере на больших высотах, где давления малы (для них таких реакций характеристическое время составляет 300 лет). Ближе к поверхности, в мезосфере, (50 – 85 км) давление выше и тримолекулярные реакции могут идти, например, О + О2 + М ---> О3 (здесь М - любая "третья" частица, уносящая избыток энергии). В отсутствие третьей частицы М реакция О + О2 дает возбужденную молекулу озона, которая очень быстро распадается на О2 и О. С уменьшением высоты растет концентрация молекулярного кислорода, но одновременно падает интенсивность солнечной ультрафиолетовой радиации. Оба фактора приводят к тому, что максимальная скорость накопления и концентрация озона наблюдаются на высотах порядка 50 км (так называемая "озоносфера"). Озон очень эффективно поглощает более мягкий (по сравнению с кислородом) ультрафиолет. Все эти процессы, которые еще недостаточно изучены (особенно их кинетика) приводят к такому причудливому температурному профилю атмосферы.