Термосфера (от греч. θερμός — «тёплый» и σφαῖρα — «шар», «сфера») — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150—300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении (рекомбинации) атомов кислорода в молекулы (при этом в энергию теплового движения частиц превращается энергия солнечного УФ-излучения, поглощённая ранее при диссоциации молекул O₂). На высоких широтах важный источник теплоты в термосфере — джоулева теплота, выделяемая электрическими токами магнитосферного происхождения. Этот источник вызывает значительный, но неравномерный разогрев верхней атмосферы в приполярных широтах, особенно во время магнитных бурь.


Полёты в термосфере. Из-за крайней разреженности воздуха полёты выше линии Кармана возможны только по баллистической траектории. Все пилотируемые орбитальные полёты (за исключением полётов американских астронавтов к Луне) проходят в термосфере, преимущественно на высотах от 200 до 500 км — ниже 200 км сильно сказывается тормозящее действие воздуха, а выше 500 км простираются радиационные пояса, оказывающие на людей вредоносное действие.

Беспилотные спутники также по большей части летают в термосфере — вывод спутника на более высокую орбиту требует бо́льших затрат энергии, кроме того, для многих целей (например, для дистанционного зондирования Земли) малая высота предпочтительнее. Высокая температура воздуха в термосфере не страшна летательным аппаратам, поскольку из-за высокой степени разреженности воздуха он практически не взаимодействует с обшивкой летательного аппарата, то есть плотности воздуха не достаточно для того, чтобы нагреть физическое тело, так как количество молекул очень мало и вероятность её столкновения с обшивкой судна (соответственно и передачи тепловой энергии) не велика. Исследования термосферы проводятся также с помощью суборбитальных геофизических ракет.