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熱層（英文：Thermosphere），亦稱熱成層、熱氣層或增溫層，是地球大氣層的一層。它位於中間層之上及散逸層之下，其頂部離地面約800km。熱層的空氣受太陽短波輻射而處於高度電離的狀態，電離層便存在於在本層之中，而極光也是在熱層頂部發生的。熱層的空氣密度極小，俄羅斯已退役的和平號太空站和現役的國際太空站均在距離地表320至380km的熱層頂部運行。
溫度變化
熱層氣溫主要依靠太陽活動來決定，這是因為氧原子強烈吸收波長小於0.175微米的太陽短波輻射而升溫的緣故。熱層的氣溫會因高度而迅速上升，有時甚至可以高達2,000℃。熱成層的上方是從距離地面500至1000公里開始的散逸層[1]，那裡大氣層會與外太空接壤。縱然少數的空氣粒子甚至可以於白晝時間到達2,500℃（4500℉）高溫，但因為分子之間的距離太疏，它不會令人感到任何溫暖，就連一台普通的溫度計也只會量度到零攝氏度以下。
大氣密度
熱層存在於離地表85公里以上的高空。在這樣的高度，剩餘的大氣氣體會根據分子量而分層。熱層的空氣極為稀薄，本層質量僅占大氣總質量的0.5%。在120公里高度以上的空間，空氣密度已小到聲波難以傳播的程度，在270公里高度上，空氣密度約為地面空氣的百億分之一，在300公里的高度上，空氣密度只及地面密度的千億分之一，再向上空氣就更稀薄了。
電離層
熱層的大氣分子吸收了因太陽的短波輻射及磁場後其電子能量增加，當中一部分進行電離。這些電離過的離子與電子形成了電離層[2]。在熱成層的電離層，存在着E層（離地面100-120公里）、F1層（離地面170-230公里）、F2層（離地面200-500公里，夜間融合為F層，約離地面300-500公里）三層。而因季節變化更會出現突發性E層（Es層，約離地面100公里）。電離層可以反射無線電波，因此它又被人類利用進行遠距離無線電通信。
極光現象
熱層在高緯度地區因磁場而被加速的電子會順勢流入，與熱層中的大氣分子衝突繼而受到激發及電離。當那些分子復回原來狀態的時候，就會產生髮光現象。此稱為極光。