【热层】（thermosphere）从60km至500km之间的大气层。

热层大气的温度随高度增加很快。其加热主要是吸收了全部波长小于1750A的太阳紫外辐射的结果；来自低层大气经波动传播上来的能量，高纬地区的电离层电流的焦耳加热以及从磁层沉降下来的高能粒子加热也起了重要作用。

另一方面，起冷却作用的CO2和H2O在该层已极少（热层底部内，气辉辐射的能量损失和氧原子红外辐射冷却仍是不可忽略的）。这样，热层温度可从85km的190K到500km处增加至1000K（中等太阳活动条件）。

热层以下（中层内）气温随高度是减小的。温度重新开始增加的高度称中层顶或热层底。往上到温度又不再增加的高度即为热层项。氧分子在80一90km开始被太阳辐射分解成氧原子。重力扩散分离使氧原子成为热层中的主要中性成分。

太阳辐射还使中性成分电离成离子和电子，从而在热层内生成电离层的E层和F层。热层内能量收支驱动了热层的全球环流体系。这对温度、成分结构再分布有重要作用，也是造成F层电子浓度年变化的所谓季节反常的主要原因。上述热层温度、成分结构、环流体系，以及热层顶位置等都不仅随太阳活动程度有较大变动，而且还有明显的昼夜变化。