Powyżej troposfery znajduje się stratosfera, sięgająca do około 45-55 km nad powierzchnią Ziemi. Występują w niej niewielkie ilości pary wodnej, z której tworzą się obłoki iryzujące. W dolnej części stratosfery temperatura jest prawie stała, powyżej 30 km rośnie osiągając u podstawy stratopauzy 0°C.
W obrębie stratosfery znajduje się warstwa ozonowa. Ozon pochłania promieniowanie słoneczne z zakresu ultrafioletu (UV) i rozpada się pod jego wpływem. Można więc powiedzieć, że ozonosfera jest ekranem chroniącym organizmy żywe przed tą częścią promieniowania słonecznego, która ma największą energię. Znaczenie ozonosfery widoczne jest w tym, że nawet ta niewielka część ultrafioletu, która dociera do powierzchni Ziemi, powodować może poparzenia oraz raka skóry, choroby oczu oraz niszczyć chlorofil roślin. Proces rozpadu ozonu to reakcja egzotermiczna (dochodzi do emisji ciepła), co tłumaczy wzrost temperatury powietrza w stratosferze.
Produkcja i emisja freonów (węglowodorów halonowych) przez człowieka w XX wieku przyczyniła się do nasilenia procesów rozpadu ozonu w stratosferze. Jest go tam mniej niż 30 lat temu, więc słabiej chroni nas przed promieniowaniem UV. Co prawda zaprzestano już produkcji większości węglowodorów halogenowych, ale gazy te są bardzo trwałe w troposferze. Dopóki ich ilość znacząco się nie zmniejszy, będą po przedostaniu się do stratosfery niszczyć ozon. Największe nasilenie proces niszczenia ozonu ma w stratosferze polarnej, zwłaszcza nad Antarktydą. Ubytki ozonu są tam sezonowe i w okresie wiosny antarktycznej (wrzesień-listopad) na tyle duże, że nazywamy to zjawisko dziurą ozonową. Nasiliło się ono w latach 80.tych XX wieku. Przyczyna to oczywiście niszczenie ozonu przez atomy chloru uwolnione z freonów, ale regionalne nasilenie tego procesu wynika z występowania specyficznych, lokalnych warunków cyrkulacyjnych, będących następstwem nocy polarnej.
 |
| Dziura ozonowa nad Antarktydą (zdjęcia z 2006 r.) |
Powyżej stratosfery znajduje się mezosfera sięgająca wysokości 80-85 km. Temperatura powietrza w mezosferze spada wraz ze wzrostem wysokości, począwszy od około 0°C u jej podstawy do około -70°C u podstawy mezopauzy. Powyżej znajduje się termosfera, sięgająca do wysokości 500-600 km. W obrębie tej warstwy przebiegają orbity wielu biegunowych sztucznych satelitów Ziemi. W warstwie tej podobnie, jak w stratosferze pochłaniane jest promieniowanie słoneczne w zakresie ultrafioletowym. Jego energia jest jednak większa niż w niżej leżącej stratosferze (ma krótszą długość). Powoduje więc ono wybijanie elektronów z zewnętrznych orbit elektronowych atomów i cząsteczek gazów i ich jonizację. Z termosferą pokrywają się więc najważniejsze warstwy jonosfery. Warstwy jonosferyczne odbijają fale radiowe emitowane z powierzchni Ziemi, umożliwiając długodystansową łączność radiową. Pochłanianie promieniowania UV i jonizacja gazów powoduje wzrost temperatury powietrza w termosferze nawet do 1500-2000°C.
W związku z bardzo małą gęstością powietrza (prawie próżnia), znajdujący się tam człowiek nie odczuwałby tego jako piekielne gorąco. Nasze odczucie temperatury powietrza wynika bowiem z bombardowania nas przez cząsteczki powietrza, które to zderzenia przekazują nam energię. Im wyższa prędkość molekuł gazu, tym wyższa temperatura i tym intensywniejsze przekazywanie energii w rezultacie zderzeń. W termosferze natomiast prędkości cząsteczek są bardzo duże, ale gęstość gazu tak mała, że do zderzeń i przekazywania energii dochodzi bardzo rzadko.