Стратосфера сверху ограничивается стратопаузой.

Мезосфера (50-80 км) - слой над стратосферой с верхней границей - мезопаузой, находящейся примерно на высоте 80 км. Здесь наблюдается понижение температуры с высотой в среднем 0,3 К на 100 м и на верхней границе она равна в среднем - 85-90 °С. Это самая низкая температура на Земле. Для мезосферы так же как и для тропосферы, характерна значительная турбулентность и вертикальное перемешивание воздуха, плотность которого здесь незначительна.

Вблизи верхней границы мезосферы в сумерки летом при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, ярко освещаемые солнцем, находящимся за горизонтом, которые называются серебристыми.

Термосфера (90-450 км)- очень мощный слой, расположенный выше мезопаузы. Для термосферы характерен рост температуры с высотой, который связан с поглощением солнечной энергии атмосферным кислородом; на высоте 200-250 км она достигает от 1000 до 2000 К. Однако следует помнить, что тело, помещенное в весьма разреженной (в 10¹²-10¹⁴раз) газовой среде этого слоя, не может принять температуру окружавшего воздуха, так как общая энергия разреженного газа очень мала. Здесь термодинамическое значение температуры теряет смысл. Температуру в данном случав не измеряют, а вычисляют. Переходный слой между термосферой и вышележащей экзосферой называют термопаузой.

Экзосфера - слой выше термосферы, ее характерной чертой является рассеяние атомов атмосферных газов в ее верхней части в межпланетное пространство. В основном наблюдается рассеяние наиболее легких газов - водорода и гелия, которые могут достигать критической скорости (11,2 км/с) и, преодолевая силу земного тяготения, ускользать из атмосферы, поэтому экзосферу называют также сферой рассеяния.

По электрическому состоянию атмосферу делят на две части:

- относительно плохо проводящую - нижние слои до высот примерно 40 км - нейтросферу;

- ионизированную область выше 60-30 км - ионосферу.

Ионосфера состоит из ряда слоев-областей (D, Е, F₁, F₂,), в которых наблюдаются максимумы концентрации ионов. Каждый из этих слоев играет определенную роль при распространении радиоволн различной длины.

Отражение средних и коротких волн от областей ионосферы к Земле и затем от Земли снова к ионосфере, повторение этих циклов способствует распространению радиоволн на большие расстояния вдоль поверхности Земли. Ультракороткие волны (УКВ) длиной менее 10 м почти пронизывают ионосферу и используются для радиосвязи со спутниками и космическими кораблями. В полярных и околополярных областях высокие слои атмосферы под влиянием бомбардировки корпускулярными потоками Солнца начинают светиться, возникают полярные сияния. Верхняя граница полярных сияний может находиться на высоте 2000-1200 км, а нижняя всего на 60 км.