Температура повітря у мезосфері зменшується з висотою: від ~0°С на нижньому кордоні до -80–90°С на верхньому. 2. У мезосфері річна зміна температури зворотне: влітку спостерігаються мінімальні значення, а взимку – максимальні.
Температура повітря в термосфері швидко і розривно зростає і може варіювати від 200 до 2000 до, залежно від ступеня сонячної активності. Причиною є поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця на висотах 150-300 км, зумовлене іонізацією атмосферного кисню.
У більш високих шарах розподіл газів за висотою залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення густини газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до −110 °C мезосфері.
Нижня та середня частини екзосфери в основному складаються з атомів Про і N, зі збільшенням висоти швидко зростає відносна концентрація легких газів, особливо іонізованого водню. Газокінетична температура становить 1500-3000 К, вона слабо росте з висотою.