La temperatura degli strati atmosferici è determinata dalla composizione dell'aria, dal movimento e dalla densità di ogni strato. Nella troposfera, ad esempio, è più caldo allo strato di base perché l'aria assorbe calore dal superficie terrestre. Poiché la densità dell'aria diminuisce con l'altezza, anche la temperatura diminuisce.
Nella stratosfera, la quantità di vapore acqueo diminuisce mentre la concentrazione di ozono aumenta con l'altezza. Ciò provoca un aumento della temperatura perché la formazione di ozono produce calore e le molecole di ozono assorbono i raggi ultravioletti del sole.
Spostandosi verso l'alto dalla stratosfera alla mesosfera, le molecole di ossigeno diventano meno dense, e quindi la temperatura calda inizia a scendere di nuovo con l'aumentare dell'altitudine. La temperatura è più fredda in questo strato; raggiunge -90 a -120 gradi Celsius.
Nella termosfera, la temperatura sale a 2.000 gradi Celsius con l'aumento di altitudine perché le molecole assorbono raggi X ad alta intensità e raggi ultravioletti dal sole. Sorprendentemente, la temperatura dell'aria in questo strato è fredda per la pelle perché la densità dell'aria è molto bassa. Gli astronauti nello spazio preferiscono rimanere in orbita in questo strato. L'aria nella esosfera è troppo sottile per riscaldarsi e le molecole scappano nello spazio. La temperatura in alcune parti dello spazio può essere molto calda, tuttavia, a causa del vento solare.
