Почему в воздухе газы смешаны, а не распределены послойно?

Они постоянно перемешиваются температурной конвекцией, да и просто ветром. Для того, чтобы смесь газов "отстоялась", надо чтобы была строго постоянная температура и отсутствие движения. Вот тогда, через несколько дней-лет газ расслоиться. И в некоторых условиях именно это и происходит. Но это редкие случаи. Потому что даже в пещерах, где вроде бы постоянная температура и нет сквозняков, на самом деле имеется разность температур всего в десятые и сотые доли градусов, между "полом" и "потолком", потому что идет тепловой поток из центра Земли. Вот этой разница вполне достаточно, чтобы перемешивать молекулы разных газов.

Все газы состоят из молекул, молекулы из атомов. Это основное положение молекулярно-кинетической теории. Слово кинетическая отвечает за то, что "движутся" молекулы. Движение описывается начальным положением, скоростью и ускорением. Скорости движения молекул газа велики, а массы настолько малы, что для уменьшения кинетической энергии на существенную величину молекула должна преодолеть существенную высоту, либо испытать тормозящее соударение. Но поскольку движение молекул беспорядочное (броуновское), то от соударения с другими молекулами энергия наблюдаемой молекулы способна увеличиваться. Таким образом в воздухе, несмотря на разность масс, молекулы газа могут двигаться равновероятно по всем направлениям образуюя равномерную смесь.

Дело не просто в хаотическом движении молекул газов, а в том, что молекулы газов не связаны друг с другом. В этом и заключается принципиальное отличие газов от жидкостей, где отдельные молекулы взаимодействуют всё время, а не только в момент соударения. Это значит, что каждая отдельная молекула, пока не втемяшется в другую, просто "не знает", что эти другие там вообще есть, а поэтому ей по фигу, какие именно это молекулы. Достаточно того, что они есть, и что характер движения в результате случайных соударений тоже случайный.

Вот эта случайность, хаотичность движения несвязанных, не взаимодействующих друг с другом молекул и способствует свободному перемешивают газов.

В плане движения молекул газов самым интересным является то, что наиболее легкие из них не подвержены земному притяжению и улетают в огромных масштабах в космос (это касается абсолютно всего гелия и водорода, который не успел вступить в химические взаимодействия). Соответствующая водородно-геливая дегазация Земли и земного ядра происходит со скоростями значительно меньшими необходимых для этого космических скоростей, т.е. за счет природных антигравитационных свойств молекул этих газов. Как, собственно, за счет этих же, пусть и менее выраженных свойств, обеспечивается также и извечное витание молекул всех газов над земной поверхностью...

Все газы и жидкости удерживаются на земле под действием силы гравитации, поэтому даже более лёгкие газы не могут подняться к самой верхней границе атмосферы. Но относительная концентрация более лёгкого азота увеличивается на большей высоте, а концентрация кислорода уменьшается. Таким образом более лёгкие газы всё же поднимаются выше тяжёлых.

Все дело в ветре. Листья шевелятся и создают ветер.Ветер перемешивает все карты. т.е. газы. Называется конвекция. Горячая, но тяжелая молекула может стартануть выше, чем легкая, но холодная молекула. Восходящие и нисходящие потоки воздуха создают о-го-го какое перемешивание. Крышу сносит.