A temperatura das camadas atmosféricas é determinada pela composição do ar, movimento e densidade de cada camada. Na troposfera, por exemplo, é mais quente na camada de base porque o ar absorve o calor do superfície da Terra. Como a densidade do ar diminui com a altura, a temperatura também diminui.
Na estratosfera, a quantidade de vapor d'água diminui enquanto a concentração de ozônio aumenta com a altura. Isso provoca um aumento na temperatura porque a formação de ozônio produz calor e as moléculas de ozônio absorvem os raios ultravioleta do sol.
Movendo-se da estratosfera para a mesosfera, as moléculas de oxigênio se tornam menos densas e, portanto, a temperatura quente começa a cair novamente com o aumento da altitude. A temperatura é mais fria nesta camada; atinge -90 a -120 graus Celsius.
Na termosfera, a temperatura sobe até 2.000 graus Celsius com o aumento da altitude porque as moléculas absorvem os raios X de alta intensidade e os raios ultravioleta do sol. Surpreendentemente, a temperatura do ar nesta camada é fria para a pele porque a densidade do ar é muito baixa. Os astronautas no espaço preferem ficar em órbita nesta camada. O ar na exosfera é muito fino para aquecer e as moléculas escapam para o espaço sideral. A temperatura em algumas partes do espaço pode ser muito alta, no entanto, por causa do vento solar.
