У цілому, на всьому протязі мезосфери температура атмосфери зменшується до мінімального її значення близько 180 °К на верхній границі мезосфери (називаної мезопауза, висота близько 80 км). В околиці мезопаузи, на висотах 70–90 км, може виникати дуже тонкий шар крижаних кристалів і часток вулканічного і метеоритного пилу, що спостерігається у виді красивого видовища сріблистих хмар незабаром після заходу Сонця. У мезосфері здебільшого згоряють дрібні тверді метеоритні частки, що попадають на Землю, що викликають явище метеорів.

О + hw ® О⁺ + е.

У термосфері температура безупинно росте до висоти близько 400 км, де вона досягає вдень в час максимуму сонячної активності 1800 К. В епоху мінімуму ця гранична температура може бути менше 1000 К. Вище 400 км атмосфера переходить у ізотермічну екзосферу. Критичний рівень (основа екзосфери) знаходиться на висоті близько 500 км. Полярні сяйва і безліч орбіт штучних супутників, а так само сріблисті хмари – усі ці явища відбуваються в мезосфері і термосфері.

Озоносфера. На висотах 20–25 км досягається максимальна концентрація незначної кількості озону О₃ (до 2·10^–7 від змісту кисню!), що виникає під дією сонячного ультрафіолетового випромінювання на висотах приблизно від 10 до 50 км, захищаючи планету від іонизуючого сонячного випромінювання. Незважаючи на винятково малу кількість молекул озону, вони охороняють усе живе на Землі від згубної дії короткохвильового (ультрафіолетового і рентгенівського) випромінювання Сонця. Якщо осадити всі молекули до основи атмосфери, то вийде шар, товщиною не більш 3–4 мм! На висотах більш 100 км росте частка легких газів, і на дуже великих висотах переважають гелій і водень; багато молекул диссоціюють на окремі атоми, які, іонізуючись під дією жорсткого випромінювання Сонця, утворюють іоносферу. Тиск і щільність повітря в атмосфері Землі з висотою убувають. У залежності від розподілу температури атмосферу Землі підрозділяють на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу й екзосферу. На висоті 20–25 км розташовується озонний шар. Озон утворюється за рахунок розпаду молекул кисню при поглинанні ультрафіолетового випромінювання Сонця з довжинами хвиль коротше 0,1–0,2 мкм. Вільний кисень, з'єднуючись з молекулами О₂ утворює озон О₃, що інтенсивно поглинає весь ультрафіолет коротше 0,29 мкм. Молекули озону О₃ легко руйнуються під дією короткохвильового випромінювання. Тому, незважаючи на свою розрідженість, озонний шар ефективно поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця, що пройшло крізь більш високі і прозорі атмосферні шари. Завдяки цьому живі організми на Землі захищені від згубного впливу ультрафіолетового світла Сонця.

Структура і динаміка верхньої атмосфери істотно визначається нерівноважними в термодинамічному змісті процесами, пов'язаними з іонізацією і дисоціацією сонячного випромінювання, хімічними процесами, порушенням молекул і атомів, їхньою дезактивацією, зіткненням і іншими елементарними процесами. При цьому ступінь нерівноважності зростає з висотою в міру зменшення густини. Аж до висот 500–1000 км, а часто і вище, ступінь нерівноважності для багатьох характеристик верхньої атмосфери досить малий, що дозволяє використовувати для її опису класичну і гідромагнітну гідродинаміку з урахуванням хімічних реакцій.

Екзосфера – зовнішній шар атмосфери Землі, що починається з висот у кілька сотень км, з якого легкі і рухливі атоми водню можуть вислизати в космічний простір.