高层大气温度变化的原因是，大气层的热源是地面辐射，所以当高层大气离地面越远，温度会越低，但是上升到一定高度后，地面辐射几乎为0，而高层大气这时受红外线紫外线等和宇宙物质等影响，逐渐升温，所以高层大气会出现随高度增加而温度先降后升。
高层大气，是指地球大气开始电离以上的大气区域，但对于高层大气起始高度的划分不尽一致。
有人把探空气球可上升到30千米高度作为高层大气下限，也有人把中间层顶以上的大气区域称为高层大气。
高层大气上界的层状结构已不明显，由于收到太阳辐射的缘故，高层大气粒子速度很高，这些大气粒子有可能克服地球引力的束缚而逃离地球大气层，而宇宙空间的气体粒子也有可能进入高层大气。