从平流层顶到约85公里(中间层顶)之间的区域。中间层的气温是随高度增大而递减的，在中间层顶，温度降至最低,约190K。在此层内,O2吸收太阳辐射而使大气加热，CO2红外辐射冷却则使大气降温,这两方面的作用决定了温度的垂直结构。此外，行星波、内重力波(包括大气潮汐)和湍流热传导等动力加热，在极光带附近还有高能粒子沉降加热,对气温也有一些影响。同平流层一样,中间层内在北半球夏季盛行东风,冬季为西风，最大风速在中纬地区60公里高度附近达 100米/秒。在中间层内，大气中某些成分发生分解、电离、复合及其他各种光化反应，发生各种发光现象，如气辉和极光。平流层和中间层合起来，又称中层大气。
中间层顶以上为热层。从热层底部向上，大气温度迅速增加。其原因是这里的大气几乎吸收了波长短于 1750埃的全部太阳紫外辐射，而辐射冷却源（H2O、CO2）已极少了。确定热层内温度垂直分布时,还必须考虑气辉的能量辐射损失和热层底部大气中氧原子的红外辐射的冷却作用。其他的热源还有电离层电流（包括极区电急流）的焦耳加热，低层大气通过各种波动向上输运的能量，及磁层向下输运的能量。在极区，太阳粒子辐射的加热，可超过紫外辐射的作用。因此，热层内的热量收支十分复杂。
由于太阳远紫外辐射随太阳活动的变化较大，故热层温度结构也受太阳活动的支配，而且有明显的昼夜变化。温度梯度消失的高度称为热层顶,其高度约在300～500公里之间，但它随太阳活动有很大变化,很难确切地指出这一高度的位置。
热层顶以上为外逸层或外层大气，其温度常高于1000K。由于其间气体分子的自由程大,热传导快，可以近似地认为这里的大气是等温的。外层大气极稀薄，粒子间相互碰撞可以忽略，已不能再把它看作是连续流体，而只是一个个自由运动粒子的组合体。在地球引力场中，中性粒子的运动轨迹是圆锥曲线，其中速度较大的粒子，有可能摆脱引力而飞离地球。外层中，大气的主要成分是氢和氦，这些粒子能散射太阳的某些紫外波段辐射，从而形成了包围地球的暗淡紫外辉光，称为地冕。在外层的较高处，电离的氢原子成为主要成分的区域，称为质子层。1万公里以上，又有内、外辐射带,在这些区域内，必须考虑带电粒子在地磁场作用下的各种过程。
从地面到约90公里的空间，由于大气温度、气压、数密度的不均匀分布所产生的对流、湍流等混合作用，使得大气各成分所占的体积百分比保持不变，称为均匀层。均匀层大气的平均分子量为28.966克/摩尔，为常数，各成分的体积百分比如表： 非均匀层 约90公里以上，由于氧分子的光化分解，以及重力扩散作用，使大气成分的体积百分比随高度而变,平均分子量不再是常数，即为非均匀层。在约100公里或稍高处，大气的分子重力扩散与湍流混合强度达到同样量级，该高度被称为湍流层顶。湍流层顶以上，大气服从重力扩散平衡分布。
从60公里开始，一直到大气层的上界，都存在有电子、正离子和少量的负离子。在数百公里高度以下,根据电子密度随高度分布，通常分为D层、E层和F层（F层白天分为 F1层和F2层）。电离层有较大的昼夜、季节和纬度的变化。通常在夜间E层已很难观测到，而D层则完全消失（见电离层）。2100433B
