地球大气层会随着海拔高度的增加而密度降低，那么地球大气层的厚度有多少呢？大气层和太空的界限在哪里呢？按照不同的方式，这个问题的答案也是有很大出入的。
按照卡门线的定义，地球大气层的厚度为100公里，这里是大气层和外太空的界限。但是卡门线只是人类定义的一条虚拟的线，实际上在这条线以上的空间内，依然存在着大量的空气分子。航天器在120公里的高空就能够感受到比较强烈的大气效应了，而世界上轨道最低的卫星高度也有167.4公里，在这个位置，因为大气阻力的影响，所以卫星需要使用等离子发动机来不断的修正自身轨道抵抗大气阻力。
一种更通常的大气层厚度的划分方法是将地球大气层分为5层：对流层、平流层、中间层、热层和外大气层。
- 外大气层：700到10000公里；
- 热层：80到700公里；
- 中间层：50到80公里；
- 平流层：12到50公里；
- 对流层：0到12公里。
对流层是地球大气层的最底层，厚度只有大约12公里，但是却包含了整个地球大气层质量的80%，这里的大气密度最高，人类就生活在对流层中，几乎所有的水蒸气或水分也都分布在对流层中，另外就是绝大多数的天气现象也是出现在对流层中。
平流层是地球大气层的第二层，位于对流层上方，供海拔12公里延伸到50~55公里处，这里的大气密度比对流层稀薄很多，大气压大约只有海平面大气压的千分之一。但是平流层拥有对地球生命至关重要的臭氧层。平流层温度剖面创造了非常稳定的大气条件，因此平流层缺乏对流层中如此普遍的产生天气的空气湍流。因此，平流层几乎完全没有云层和其他形式的天气。然而，极地平流层或珠光云偶尔会出现在这层大气的下部，那里空气最冷。平流层是喷气式飞机可以进入的最高层。
中间层是地球大气层的第三层，处于平流层的上方，从50公里处延伸到了80~85公里处，随着海拔的升高，温度会下降到标志着大气层中层顶部的中绝顶。它是地球上最冷的地方，平均温度约为-85°C。即使是在这个高度非常稀少的水蒸气也可以升华成极地-中层冰粒夜光云。这些是大气中最高的云层，如果太阳在日落后大约一两个小时或日出前类似地从它们身上反射出来，肉眼就可以看到这些云层。
热层是地球大气层的第四层，从80公里处延伸到700公里的高空中，卡门线就位于热层中，这里也是狭义的大气层和太空的分界线。热层的温度随着高度逐渐升高，最高可升至1500°C，尽管气体分子相距甚远，以至于通常意义上的温度意义不大。空气如此稀少，以至于单个分子（例如氧气）在与其他分子碰撞之间平均行进1公里。尽管热层具有高能量分子的比例很高，但直接接触的人不会感到热，因为它的密度太低，无法将大量能量传导到皮肤或从皮肤传导出大量能量。该层完全无云，没有水蒸气。然而，在热层中偶尔会看到非水文气象现象，例如北极光和南极光。另外就是大部分的卫星都运载热层中间。
外大气层是地球大气层的最外圈，从海拔700公里一直延伸到约1万公里处，并和太阳风直接接触。该层主要由密度极低的氢、氦和几个更重的分子组成，包括靠近外基层的氮、氧和二氧化碳。原子和分子相距甚远，它们可以行进数百公里而不会相互碰撞。因此，外大气层中的原子会不断的逃逸到太空中，这些自由移动的粒子遵循弹道轨迹，可能会进出磁层或太阳风。外大气层距离地球表面太远，不可能出现气象现象。然而，地球的极光——北极光（北极光）和南极光（南极光）——有时会出现在外大气层的下部，在那里它们与热层重叠。外大气层包含许多绕地球运行的人造卫星。
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