人类经过不懈地探索和追求，对大气层的认识越来越清晰了，科学家发现，在不同的高度上，大气的情况是在变化的，于是就人为地把大气分成五个不同的层次，以便于更好地研究大气。
对流层这一个层次从地面向上，直到10千米左右的范围，是大气层的最底层。在这个范围内，大气的温度随着高度的增加而不断下降。在11千米附近，温度下降到-55℃。在这层里，大气活动异常激烈，或者上升，或者下降，甚至还会翻滚。正是由于这些不断变化着的大气运动，形成了多种多样复杂的天气变化，风、云、雨、雪、雾、露、雷、雹也多发生在这个层次里，所以也有人称这层为气象层。这层的顶叫对流层顶。
平流层从对流层顶向上到55千米附近。在这个范围里，温度不再像对流层里那样不断下降了，它开始几乎不发生变化，然后随高度增加又增加，到平流层顶温度可达-3~17℃。这里空气成分几乎不变，水汽与尘埃几乎不存在，所以这里经常是晴空万里，能见度高。平流层中臭氧比较集中，在25千米高处臭氧最多，形成了所谓臭氧层，臭氧能强烈地吸收紫外线，它对地球上的生物非常重要。
中层从平流层顶向上，也就是从55千米到80千米这个范围被命名为中层大气，简称中层。在这里，温度随高度而下降，大约在80千米左右达到最低点，约为-90℃。
热层从中层大气向上，也就是从80千米到500千米左右的范围，这里温度随高度迅速上升，可达到1000~2000℃。所以称为热层。在这里空气高度稀薄，而且多处在高度电离状态。
逃逸层500千米以上是外大气层，这一层顶也就是地球大气层的顶。在这里地球的引力很小，再加上空气又特别稀薄，气体分子互相碰撞的机会很小，因此空气分子就像一颗颗微小的导弹一样高速地飞来飞去，一旦向上飞去，就会进入碰撞机会极小的区域，最后它将告别地球进入星际空间，所以外大气层被称为逃逸层。但总的说来，逃逸掉的大气是很少的一部分，几乎可以忽略不计。这一层温度极高，但近于等温。这里的空气也处于高度电离状态。
电离层除了以上的分层外，科学家根据大气电离状态，又将60千米以上的大气层称为电离层，电离层在远距离无线电通信方面起着很重要的作用，无线电波借助于在地面和电离层之间的多次反射而传播，实现了远距离的无线电通信。人们形容电离层为“一面反射电波的镜子”.
不过，电离层反射的只是普通的无线电广播采用的波段，对于波长较短的无线电波则起不到反射作用。电视机采用的恰恰是彼长较短的无线电波，这就是电视机为什么收看不到远处电视台节目的原因。为了能收看到大洋彼岸的电视节目，科学家利用在赤道上空36000千米高度的静止地球卫星来传播电视信号，使生动的电视画面越过大洋或大陆，送到千家万户的电视机中。
磁层在大气科学中有时还将500千米以上的大气层称为磁层。因为在这里，地球磁场对大气的运动起着决定性的作用。磁层在太阳风的作用下发生一系列变化：向着太阳的一面被压缩了，而在背着太阳的一面形成了一个类似于慧星一样的长尾巴——磁尾。向着太阳的一端距地心约十几个地球半径，即70000一80000千米，它的尾长(背着太阳一端〕约100个地球半径，即600多万千米。
太阳风与磁层之间的边界即为磁层顶，顶以外即为星际空间。因此也有人认为磁层顶才是大气圈的顶。
磁层尽管离地球表面很高，但对人类确实能起到保护作用。如果没有磁层，威力巨大的太阳风会把臭氧层吹掉，甚至还会把整个大气层统统吹走。这是多么可怕的景象啊!
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