Внешняя часть атмосферы, расположенная выше 82 км и простирающаяся примерно до высоты 600 км, называется ионосферой. В ней преобладают западные течения воздуха.
Верхние слои воздушной оболочки, как и тропосфера, состоят преимущественно из азота и кислорода. Ниже 100 км кислород находится в молекулярном состоянии, выше он почти нацело диссоциирован: под действием коротких волн солнечной радиации (меньше 0,3 μ) его молекулы распались на атомы. Атомное состояние азота в верхней части ионосферы весьма вероятно (ввиду обилия факторов диссоциации), но не вполне доказано.
Под действием тех же ультрафиолетовых лучей и так называемых космических лучей, обладающих огромной проникающей силой (они короче 0,0000001 μ), воздух здесь ионизован. Роль названных ионизаторов сводится к тому, что при их помощи от нейтральных частиц, в которых число электронов равно числу положительных зарядов ядра, отщепляются электроны; тогда оставшаяся частица превращается в положительный ион (потому что положительных зарядов в ней осталось больше, чем отрицательных), а освобождённый электрон, оседая на другой частице и тем самым добавляя к ней лишний отрицательный заряд, превращает её в отрицательный ион.
Чем больше наполнен воздух носящимися в нём заряжёнными частицами и свободными (не успевшими осесть) электронами, тем более он электропроводен. Ионосфера охвачена этим процессом в разных частях неодинаково, и в ней резко выделяются покамест два слоя максимальной ионизации: слой Е, умеренно ионизованный (так как в нём ионов больше, чем электронов), занимающий интервал от высоты 82 км до высоты 200 км, но с наибольшей концентрацией заряжённых частиц на уровне около 100 км, и слой F, сильно ионизованный (так как в нём электронов больше, чем ионов), занимающий интервал от высоты 200 км до высоты 350 км, с наибольшей концентрацией заряжённых частиц на уровне 250 км. В период вспышек солнечной активности спорадически возникает ионизованный слой G, охватывающий область высот от 350 до 600 км; следовательно, выше 350 км воздушная оболочка Земли то приобретает свойства ионосферы, то теряет их.
Основное практическое значение ионизованных слоёв для нас в том, что они, многократно отражая радиоволны, позволяют последним огибать Землю и достигать любых удалённых пунктов; если бы не отражение радиоволн от ионосферы, то прямая радиосвязь (без помощи промежуточной трансляции) была бы возможна лишь на расстоянии 50—100 км.
В ионосфере характер изменения температуры с высотой примерно тот же, что и в стратосфере: зоны повышения температуры перемежаются с зонами понижения. Но абсолютные значения температур достигают здесь уже многих сотен градусов.
Ионосфера — область полярных сияний.
За пределами ионосферы находится вакуумсфера (до высоты 1200 км), не отражающая радиоволн и настолько разрежённая, что длина свободного пробега частиц (от одного столкновения до другого) оказывается здесь больше, чем толщина вакуумсферы. Ещё больше длина свободного пробега в «сфере диссипации» (рассеяния), простирающейся до уровня 3 тыс. км. Оттого частицы постоянно рассеиваются из неё за пределы Земли, и на верхней границе области диссипации плотности земной атмосферы и межзвёздного пространства становятся равными (1 частица на 1 куб. см). Это и служит основанием считать, что здесь «конец» атмосферы.