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其集中在20-30公里范围内，称为臭氧层。臭氧的浓度非常稀薄，即使在最浓处也只占空气体积的几百万分之一。臭氧的含量虽少，但却可以吸收大部分的太阳紫外线辐射，这种能量对大气起到加热作用，使平流层温度升高。
3.中层。从平流层顶（50-55公里处）到约85公里的大气叫中层。这一层中几乎没有臭氧，故温度随高度增加而迅速递减，到顶部，温度已降到-83℃以下。由于下部气温比上部高，有利于空气的垂直对流运动，故中层又称之为高空对流层或上对流层。中层顶部尚有水汽存在，可出现很薄且发光的“夜光云”，在夏季的夜晚，高纬度地区偶尔能见到这种银白色的夜光云。
4.热层。从中层顶（80-85公里）到约250公里（在太阳宁静期为500公里）的大气层称为热层。这一层空气密度很小，只占大气总重量的0.5%。据探测，在120公里高空，大气密度只有地面的一百亿分之一，所以在这里即使在你耳边开大炮，也很难听到什么声音。热层大气直接吸收太阳辐射而发生光化学反应获得能量，所以温度很高，并随高度递增。据人造卫星观测，300公里高度的气温高达1000℃以上。
5.外逸层。热层顶以上的大气统称为外逸层，又叫外层。它是大气的最高层，高度最高可达到3000公里。这一层大气很稀薄，受地球引力场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其他分子的阻力逃逸到宇宙空间中去。宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈外还有一层极其稀薄的电离气体，其高度可伸延到2.2万公里的高空，称之为地冕。地冕是地球大气向宇宙空间的过渡区域，被形象地比为地球的“帽子”。
此外，按大气的化学成分，以距海平面90公里高度为界，界限以下的大气是均匀混合的，各种成分的相对比例不随高度变化，这一层叫均质层。界限以上各种成分的相对比例则随高度升高而变化，较轻的气体如氦气、氢气等越来越多，大气不再是均匀混合的了，因此这一层叫非均质层。如果按照大气的电离特性，大气圈要分为中性层（非电离层）、电离层和磁层。在海平面以上60公里以内的大气，一般情况下很少有带电粒子存在，所以叫中性层。在60公里以上至1000公里的高度，大气在太阳紫外线的作用下，成分开始电离，形成大量的正、负离子和自由电子，故称电离层。在300公里高度，电离层中的电子浓度达到最大值，平均每1000个分子中有1个被电离，即电离度为1‰，每立方米的电子浓度约为10的11次方个。
按照电子密度的大小，电离层自下而上又可分为D层（60-90公里）、E层（90-140公里）、F层（140-500或1000公里）。电离层的各层可以反射不同波长的电磁波，对无线电通信很重要。
从500-1000公里处开始向上则是地球的磁层。在1000公里上下，大气以氧为主；到2400公里上下，是以氦为主；再往上，则主要是氢；在3000公里以上，便稀薄得和星际空间的物质密度差不多了。磁层中已经不存在气体分子了，而是由原子和它的电离物组成，密度极低，并同时受到来自太阳的高能粒子（太阳风）和地球磁场的影响。
最近，一个关于电离层的消息引起人们的关注。英国南极考察队的科学家们在研究了1958年南极上空进行的某一特定波长的电磁波反射实验后发现，现在同样的无线电波被反射回地面所用的时间比40年前缩短了。这种现象只能说明电离层的高度下降了8公里。据英国南极考察队发言人马丁·贾维斯（Martin Jarvis）称，这是由人类活动造成的大气层变化的新信号：人类活动造成的地球低层大气升温，引发了高层大气温度和压力下降，使得高层大气更加接近地球表面。
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