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热层（英文：Thermosphere），亦称热成层、热气层或增温层，是地球大气层的一层。它位于中间层之上及散逸层之下，其顶部离地面约800km。热层的空气受太阳短波辐射而处于高度电离的状态，电离层便存在于在本层之中，而极光也是在热层顶部发生的。热层的空气密度极小，俄罗斯已退役的和平号太空站和现役的国际太空站均在距离地表320至380km的热层顶部运行。
温度变化
热层气温主要依靠太阳活动来决定，这是因为氧原子强烈吸收波长小于0.175微米的太阳短波辐射而升温的缘故。热层的气温会因高度而迅速上升，有时甚至可以高达2,000℃。热成层的上方是从距离地面500至1000公里开始的散逸层[1]，那里大气层会与外太空接壤。纵然少数的空气粒子甚至可以于白昼时间到达2,500℃（4500℉）高温，但因为分子之间的距离太疏，它不会令人感到任何温暖，就连一台普通的温度计也只会量度到零摄氏度以下。
大气密度
热层存在于离地表85公里以上的高空。在这样的高度，剩余的大气气体会根据分子量而分层。热层的空气极为稀薄，本层质量仅占大气总质量的0.5%。在120公里高度以上的空间，空气密度已小到声波难以传播的程度，在270公里高度上，空气密度约为地面空气的百亿分之一，在300公里的高度上，空气密度只及地面密度的千亿分之一，再向上空气就更稀薄了。
电离层
热层的大气分子吸收了因太阳的短波辐射及磁场后其电子能量增加，当中一部分进行电离。这些电离过的离子与电子形成了电离层[2]。在热成层的电离层，存在着E层（离地面100-120公里）、F1层（离地面170-230公里）、F2层（离地面200-500公里，夜间融合为F层，约离地面300-500公里）三层。而因季节变化更会出现突发性E层（Es层，约离地面100公里）。电离层可以反射无线电波，因此它又被人类利用进行远距离无线电通信。
极光现象
热层在高纬度地区因磁场而被加速的电子会顺势流入，与热层中的大气分子冲突继而受到激发及电离。当那些分子复回原来状态的时候，就会产生发光现象。此称为极光。