地球大氣開始電離的部分。其高度範圍從60公裡左右到幾千公裡。歷史上，高層大氣的高度範圍隨探測技術的進步而改變，並且不同學科領域的劃分標準不盡相同。有時人們也把30公裡以上的中層大氣併入高層大氣。高層大氣上界的層狀結構已不明顯，在那裏，熱速度高的大氣粒子有可能克服地球引力的束縛而外逸出地球大氣層，而行星際空間的某些氣體粒子也有可能進入高層大氣。
高層大氣的粒子包括中性部分和電離部分。由於這兩部分粒子間的碰撞，無論從成分結構構、動量交換或是從能量平衡角度看，兩者都是相互影響不可分割的。在高層大氣中存在著各種各樣的微觀和宏觀的物理、化學過程，從而決定瞭它的熱狀態、電離狀態和運動狀態。
高層大氣的熱狀態受太陽紫外輻射和磁層擾動加熱所控制。使得約80公裡以上的氣溫隨高度的增加而增加，並隨時間、經緯度、太陽活動、磁層擾動等因素而變化。
太陽紫外輻射造成瞭高層大氣氧分子的分解。太陽紫外輻射和X射線又使N2、O2和O等大氣成分電離，形成電離層。受太陽輻射激發的高層大氣粒子能產生氣輝、夜光雲等發光現象。極區的高層大氣粒子還受到太陽高能粒子的轟擊，從而產生極光。
由於80公裡以上湍流作用逐漸消失，所以高層大氣成分，由80公裡以下的均勻混合狀態逐漸過渡到分子擴散平衡狀態，約120公裡以上達到完全擴散平衡。擴散平衡就是在重力場作用下，大氣中重的成分集中於低層，輕的成分集中於高層，使得大氣的平均克分子量隨高度遞減。
高層大氣中以分子運動為基礎的現象，除瞭分子擴散以外，還有動量粘性傳輸和分子熱傳導等。高層大氣的宏觀運動，有全球尺度的環流和潮汐以及聲重波等。
研究高層大氣，主要是研究它的物質結構和運動規律，以及受太陽活動的影響。研究的方法，一方面要用火箭和人造衛星等進行直接的探測，另一方面也要依靠地面綜合性的觀測臺站，進行長期的系統的觀測。然後，根據觀測資料進行分析，並在實驗室中測定一些氣體反應系數，或者模擬某些物理、化學過程，以進行理論上的綜合，揭示出高層大氣物理、化學現象的本質。
參考書目
趙九章等編著：《高空大氣物理學》，上冊，科學出版社，北京，1965。
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