熱層

中間層頂（約85千米）至250km（在太陽寧靜期）或500km左右（太陽活動期）之間的大氣層。熱層又稱暖層。從熱層底部向上，大氣溫度迅速增加，達到溫度梯度消失時的高度，即為熱層頂。

熱層頂高度隨太陽活動變化很大，通常在300～500千米之間。熱層幾乎吸收了波長短於1750埃的全部太陽紫外輻射，成為主要熱源，熱層溫度結構主要受太陽活動的支配。

這一層溫度隨高度增加而迅速增加，層內溫度很高，層頂溫度可達1500K，晝夜變化很大，熱層下部尚有少量的水分存在，因此偶爾會出現銀白並微帶青色的夜光雲。

熱層存在於離地表85公里以上的高空。在這樣的高度，剩餘的大氣氣體會根據分子量而分層。熱層的空氣極為稀薄，本層質量僅佔大氣總質量的0.5%。在120公里高度以上的空間，空氣密度已小到聲波難以傳播的程度，在270公里高度上，空氣密度約為地面空氣的百億分之一，在300公里的高度上，空氣密度只及地面密度的千億分之一，再向上空氣就更稀薄了。

熱層的大氣分子吸收了因太陽的短波輻射及磁場后其電子能量增加，當中一部份進行電離，這些電離過的離子與電子形成了電離層，在熱成層的電離層，存在著E層（離地面100-120公里）、F1層（離地面170-230公里）、F2層（離地面200-500公里）（夜間融合為F層，約離地面300-500公里)三層。而因季節變化更會出現突發性E層（Es層，約離地面100公里），電離層可以反射無線電波，因此它又被人類利用進行遠距離無線電通信。

熱層在高緯度地區因磁場而被加速的電子會順勢流入，與熱層中的大氣分子衝突繼而受到激發及電離。當那些分子復回原來狀態的時候，就會產生髮光現象。此稱為極光。

熱層中，氣溫隨高度的增加而迅速增高。這是由於波長小於0.175μm的太陽紫外輻射都被該層中的大氣物質（主要是原子氧）所吸收的緣故。其增溫程度與太陽活動有關，當太陽活動加強時，溫度隨高度增加很快升高，這時500km處的氣溫可增至2000K；當太陽活動減弱時，溫度隨高度的增加增溫較慢，500km處的溫度也只有500K。

產生電流和磁場

熱層沒有明顯的頂部。通常認為在垂直方向上，氣溫從向上增溫至轉為等溫時，為其上限。在熱層中空氣處於高度電離狀態，其電離的程度是不均勻的。其中最強的有兩區，即E層（約位於90—130km）和F層（約位於160—350km）。F層在白天還分為F1和F2兩區。據研究高層大氣（在60km以上）由於受到強太陽輻射，迫使氣體原子電離，產生帶電離子和自由電子，使高層大氣中能夠產生電流和磁場，並可反射無線電波，從這一特徵來說，這種高層大氣又可稱為電離層，正是由於高層大氣電離層的存在，人們才可以收聽到很遠地方的無線電台的廣播。

極光

在高緯度地區的晴夜，在熱層中可以出現彩色的極光。這可能是由於太陽發出的高速帶電粒子使高層稀薄的空氣分子或原子激發后發出的光。這些高速帶電粒子在地球磁場的作用下，向南北兩極移動，所以極光常出現在高緯度地區上空。

2012年11月一期英國《自然—地球科學》雜誌刊登報告說，在大氣層分層中處於上部的熱層，其二氧化碳含量近來出現上升趨勢。這是科學家首次直接觀測到這個層次大氣中二氧化碳含量上升，說明人類大量排放二氧化碳的影響已經觸及大氣外圍。

英國約克大學研究人員和國際同行報告說，他們這次藉助衛星觀測數據分析出熱層中二氧化碳的含量變化。太陽光在熱層大氣中被吸收，不同氣體分子會吸收不同波長的光線，進而可分析出其中二氧化碳分子的含量。結果顯示，在101千米的高度，二氧化碳含量在以每十年23.5ppm(1ppm為一百萬分之一)的速率增長。這是首次直接觀測到熱層大氣中的二氧化碳含量變化情況。近年來科學界在測量不同高度大氣中二氧化碳含量的變化，但之前最高只測量到35千米的高度。

參與研究的彼得·伯納斯教授說，二氧化碳在大氣底層積累會導致“溫室效應”和氣溫升高，但在熱層這個高度二氧化碳含量上升，反而會導致氣溫下降。這是因為熱層中氣體稀薄，二氧化碳絕對含量低，還不足以引發溫室效應；同時二氧化碳分子會從周圍吸取熱量並將熱量輻射到宇宙空間，使溫度降低。

研究人員說，熱層的二氧化碳濃度增加，可能對這一高度範圍內的衛星造成影響。因為氣溫下降，氣體密度變低，氣體對衛星的阻力也會減小，長期作用下可能會導致衛星軌道變化。

據介紹，此前曾發現過一些衛星軌道的變化，並據此推測熱層的氣體密度在降低，但原因不是很清楚。本次研究表明其原因可能就是人類大量排放的二氧化碳逐漸向上擴散到了熱層大氣之中。

地球熱層發生大規模收縮

在刊登於6月19日《地球物理學研究快報》上的一篇研究論文中，研究人員公布了他們的發現。論文主執筆人、美國海軍研究實驗室的約翰·埃默特表示：“這是在至少43年內熱層出現的規模最大的一次收縮，可謂太空時代的一項紀錄。”

此次熱層塌陷在太陽並不活躍的時期出現，也就是2008年至2009年的太陽極小期。在太陽極小期，熱層溫度降低並收縮，但最近的收縮卻是低太陽活躍性所能解釋的兩到三倍。埃默特說：“一定發生了一些我們並不了解的事情。”

熱層高懸於地面之上，靠近地球與太空邊緣的交匯處，距地面高度在55英里(約合90公里)至370英里(約合600公里)之間。衛星和流星在這一高度飛過，極光則在這一高度閃耀。熱層與太陽聯繫緊密，受太陽活躍性高低周期影響程度較大。這個氣層能夠在遠紫外線抵達地球前對其進行攔截。在活躍性較高時，太陽的遠紫外線加熱熱層，使其膨脹，就像是一個置於營火上方的棉花糖。活躍性較低時，便會發生相反的事情。太陽最近的活躍性極低。2008年和2009年，太陽黑子數量極少，太陽耀斑幾乎不存在，太陽遠紫外線則走向衰敗。然而，2008年至2009年的熱層收縮程度不僅超過以往任何時候，同時也無法單用太陽活躍性加以解釋。

為了計算這種收縮，埃默特對1967年至2010年繞地球軌道運行的5000多顆衛星的衰減率進行了分析。分析提供了一個涵蓋整個太空時代的熱層密度、溫度和壓力的時空樣本。埃默特表示，熱層中的二氧化碳似乎可以在解釋大氣收縮過程中扮演角色。這種氣體充當了一個冷卻劑，通過紅外輻射釋放熱量。眾所周知，地球大氣中的二氧化碳水平一直持增長之勢。更多的二氧化碳會放大太陽極小期的冷卻作用。埃默特說：“但事情並不是這麼簡單。即使利用我們對充當冷卻劑的二氧化碳如何產生影響的了解將這一因素考慮在內，我們也無法完全解釋熱層的大規模收縮。”研究人員希望對這個上層大氣層的進一步監測能夠幫助他們揭開謎團。