Ακριβώς πάνω από τη μεσόπαυση όπου και η ανώτερη επιφάνεια της Μεσόσφαιρας (ύψος 80 χλμ.)αρχίζει το τέταρτο στρώμα της Ατμόσφαιρας που ονομάζεται Θερμόσφαιρα (Thermosphere) και φθάνει σε ύψος τα 800 χλμ. Η θερμοκρασία στο στρώμα αυτό βρέθηκε να αυξάνει αλματωδώς μέχρι περίπου τα 400-500 χλμ. Εκ του λόγου αυτού και ονομάσθηκε «Θερμόσφαιρα». Η δε διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ της Θερμόσφαιρας και της τελευταίας Εξώσφαιρας καλείται θερμόπαυση (θεωρητική ζώνη οριοθέτησης, ελάχιστου πάχους). Η θερμοκρασία στη θερμόσφαιρα αρχίζει από -92° C και φθάνει μέχρι μερικές χιλιάδες βαθμούς στα 400 χλμ. Στο ύψος των 1600 χλμ μέχρι των οποίων επεκτείνεται η γήινη ατμόσφαιρα είναι εκεί τόσο αραιή που μόνο ελάχιστα μόριά της ευρίσκονται τα οποία βαθμιαία αναμιγνύονται με τον Ηλιακό άνεμο που διαχέεται στο Ηλιακό σύστημα.

Επίσης από του ύψους των 80 χλμ. και περίπου μέχρι τα 800 χλμ. υπάρχει μέγας αριθμός ιόντων και ελεύθερων ηλεκτρονίων, η δε περιοχή αυτή ονομάζεται και Ιονόσφαιρα. Εντός της ιονόσφαιρας και σε διάφορα ύψη παρατηρούνται πυκνώσεις ιόντων και ηλεκτρονίων που σχηματίζουν τα λεγόμενα ιονοσφαιρικά στρώματα που καθίστανται απαραίτητα στις τηλεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, λόγω του ότι αντανακλούν ορισμένα είδη ραδιοκυμάτων (κυρίως τα μεσαία και βραχέα κύματα).

Επειδή η ατμόσφαιρα έχει πολύ μικρή πυκνότητα σε αυτό το ύψος, η υψηλή "θερμοκρασία" της θερμόσφαιρας δεν αναφέρεται σε "ζέστη" όπως τη γνωρίζουμε εμπειρικά· ένας άνθρωπος στη θερμόσφαιρα θα αισθανόταν κρύο, ακριβώς γιατί η ατμόσφαιρα είναι τόσο αραιή. Η θερμοκρασία αναφέρεται στη μέση κινητική ενέργεια των μορίων της ατμόσφαιρας που βρίσκεται σε αυτό το ύψος, και η οποία είναι υψηλή γιατί τα μόρια απορροφούν ηλιακή ακτινοβολία και αλληλεπιδρούν με τα σωνατίδια του ηλιακού ανέμου.

Ιστορία

Μέχρι το έτος 1948 η Μεσόσφαιρα αποτελούσε το τρίτο και τελευταίο ανώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας το εξωτερικό λεγόμενο και εξώσφαιρα. Στις αρχές όμως του 1949 έγιναν διάφορες ανακοινώσεις ιδίως Αμερικανών επιστημόνων κατά τις οποίες στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, σε αντίθεση με τα όσα ήταν τότε γνωστά, επικρατούν υψηλές θερμοκρασίες.

Σε μια συνεδρίαση του Αμερικανικού Ινστιτούτου Αεροναυτικών Επιστημών (Μάρτιος 1949) υποστηρίχθηκε ότι από του ύψους περίπου των 80χλμ. και άνω η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας ανέρχεται ταχέως κατά 3 και πλέον βαθμούς Κελσίου ανά χιλιόμετρο, εις τρόπον ώστε σε ύψος 250χλμ. να επικρατεί θερμοκρασία άνω των 500° C.