中间层（Mesosphere）又称中层、高空对流层或上对流层，是地球大气层的中间部分，指自平流层顶约50千米到85千米左右的大气层。

中间层的大气组成与对流层、平流层基本一致，主要为氧气（21%）、氮气（78%）和其他气体（1%），一般不含臭氧。在中间层里，温度的变化主要受氧分子和二氧化碳的影响，氧分子能吸收太阳紫外线从而加热大气，二氧化碳则能放射出红外线从而冷却大气，二者的平衡决定了中间层的温度。中间层的温度随着高度下降而升高。中间层顶高度变化范围较大。据观测，夏季时约为85千米左右；而冬季平均位于95千米左右。虽然中间层也存在气温上冷下热的分布情况，但由于平均气温递减率较小，故气流运动相对的都较稳定，气压约为地表气压的1/1000。中间层的大气环流特征主要为很强的西风和东风气流、大气潮汐以及从对流层和平流层垂直上传的重力波、行星波等大气波动。

中间层水汽极少，但在地球高纬度地区夏季日出前或黄昏后，在约75~90km高空会出现薄的带银白色光亮的夜光云现象。中间层的气体足够浓密，可以减缓流星冲入大气层的速度，因此，每天均有数以百万计的流星进入地球大气层后在中间层里被燃烧。中间层的人类活动很少，典型代表有超高空长航时飞行和激光引导星等。

中间层得名于其在地球大气层中的位置，因为它在大气层中的位置，处于平流层之上、热层之下，故称为“中间层”或“中层大气”。中间层英语“mesosphere”中的“meso”意思就是“middle（中间）”。中间层因为主要特点是气温随高度下降，有利于对流和湍流混合的发展，故中间层又称为“高空对流层”或“上对流层”。

中间层是地球大气层的中间部分，位于平流层之上，即地球大气层的第三层。中间层底部与平流层两个区域之间的边界通常称为平流层顶。中间层向上延伸至下一个温度最低点，即热层；中间层与热层两个区域之间的边界称为中间层顶。

中国科学技术名词审定委员会——中间层属于高空大气层，位于平流层顶以上，距地面50km到85km的大气空间。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）——中间层是从地球表面上方50千米延伸到85千米的气层。组成这一层的气体随着下降继续变得稠密，温度会随着下降而上升。

中间层对应随高度变化的温度廓线呈现极小值的位置。中间层顶高度变化范围较大。观测研究结果显示，夏季半球极区中间层顶位于85千米高度，这种情形可以延伸到热带纬度；而冬季半球中间层顶平均位于95千米高度，这种位置较高的中间层顶可以跨越赤道扩展到夏季半球热带纬度。

中间层的大气组成与对流层、平流层基本一致，主要为氧气（21%）、氮气（78%）和其他气体（1%）。主要区别在于，中间层的空气密度小得多，水蒸气很少且中间层一般不含臭氧气体。

氮气（N2），是一种惰性气体，在常温、常压下为无色、无臭、无味的气体，其不可燃、不助燃，广泛存在于自然界中。绝大部分以氮气分子的形式存在于大气中，还有以化合物的形式存在于矿物和生物体中。氮在常温、常压下很稳定，几乎不与任何物质直接发生反应（除锂等外），但在特定条件下能与许多物质发生反应。

经科学家研究表明，地球大部分氮或源于内太阳系。实际地球大气中氮的浓度远大于计算的地球大气的氮的浓度。氮气的化学性质稳定，火山喷发到大气中的氮能够保留和积累下来，同时，大气的高浓度氮也与生命活动，即地球生物圈的作用有关。 氮在中间层参与臭氧的消耗，奇数氮和奇数氢物质可催化分解臭氧。

氧气（O2）由氧分子组成，每个分子由两个氧原子组成，而这两个氧原子借助于化学键结合在一起。氧在常温、常压下为无色、无臭、无味的气体，它的密度稍大于空气，在标准状态下，1L氧气的质量是1.43g。

地球上的氧气主要是植物的光合作用产生的，正是生物圈的作用导致了地球天气的进一步演化。30亿年前，地球处于一个无氧环境中，或者只有由水汽光解作用产生的极少量氧气。光合作用放出的氧，大约10%储存在大气中。氧气是人类和动植物维持生命的极为重要的气体。氧气在中间层可参与化学反应，如甲烷进入高层大气后，经历复杂的光分解并最终能和氧原子结合成为水汽，使得高空水汽增多。这些额外产生的水汽会成为夜光云中冰晶的来源。同时，氧分子还能在中间层吸收太阳紫外线从而加热大气调节温度。

二氧化碳为无色、无臭的气体，有微酸味，约比空气重1.5倍。在通常情况下，二氧化碳稳定，不活泼，无毒性，可溶于水，水溶液呈酸性。二氧化碳在地球环境中起重要作用。它是大气的一部分，参与动物的呼吸循环和植物的光合作用。动物吸入氧气，排出二氧化碳；植物利用二氧化碳和水在光和叶绿素作用下合成淀粉等有机物。

估计在45亿年前或晚些时候，地球上是没有大气的。地球逐渐冷却以后，由于造山运动、火山喷发和从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体，形成了次生大气，其主要成分含有二氧化碳。二氧化碳能在中间层放射出红外线冷却大气调节温度。

由于大多数的流星烧蚀都发生在中间层，这导致来自流星的相关物质在中间层中也会停留很长时间。正因为如此，中间层与其他大气层相比，其中的钠、铁和其他金属原子/离子的浓度相对较高。在中间层顶的下面，由于受到大气中湍流的影响，不同粒子组成的气体被充分的混杂在一起。

中间层底部靠近平流层高浓度的臭氧气体会使中间层底部大气温度高，而缺少臭氧的中间层顶层（气压约为0.1百帕），温度下降到-100~-80℃，是地球大气中最冷的部分。中间层底部的空气通过热传导接受平流层传递的热量，因而温度最高。随着高度下降，构成这一层的气体密度不断增大。因此，温度随着高度下降而升高，在该层底部附近上升至约-15°C。

中间层内臭氧已很稀少，太阳辐射中能被氮、氧分子吸收的波长极短的紫外辐射（0.18微米）也已被其上面的热层大气吸收了，而且还存在二氧化碳在15微米的红外辐射散热，所以这一层大气的温度随高度很快降低，平均气温递减率约为3℃/千米。中间层顶的温度随纬度和季节变化，低纬地区温度年变化的幅度很小，高纬地区年变化可达40℃。

由于中间层相对的都较稳定，很少发生高低气压的现象。在中间层每立方厘米的分子数降低到1000个，压强仅为地表大气压的1/1000，即从50公里的1毫巴左右减为顶层的0.01毫巴。

中间层大气的大气环流特征主要为很强的西风和东风气流、大气潮汐以及从对流层和平流层垂直上传的重力波、行星波等大气波动。在北半球，中间层内冬季盛行西风，风速随高度减小；夏季则盛行东风，风速随高度先减小，后迅速增加。大气环流的主要表现形式包括全球行星风系、三圈环流、定常分布的平均槽脊和高空急流、西风带中的大型扰动、季风环流。其构成全球大气运行的基本形势，是全球气候特征和大范围形势的主导因素与各种尺度天气系统活动的背景条件。

中间层温度分布下高上低的特点，使得该层空气再次出现强热的垂直对流运动。由于对中间层大气的有效观测资料有限，对中间层大气的大气运动仍有待进一步揭示。

中间层内水汽虽然极少，但在南、北半球高纬地区夏季的日出前或黄昏后，在75~90千米高空有时会出现薄而带银白色光亮的波纹状云，这是地球大气中最高的云。夏季有大量的水汽上升进入高空，夏季又是地球高层大气最寒冷的时候，水汽与这里的陨星碎屑构成的“云核”相结合，形成有众多细小冰晶的云。这些云很高，云质点又太小，所以极为罕见。只有在日出前或日落后，太阳在地平线以下6°~15°，低层大气已见不到阳光，而中间层还被太阳照射时，因冰晶反射阳光发亮而被观测到，故称“夜光云”。

夜光云的现象有扩展的趋势，不但在两极地区，在纬度比较低一点的地方也可以见到。一些研究者认为，这是全球气候变化的一项表现，值得关注。这是因为，19世纪以来地球大气中温室气体甲烷的含量显著上升。甲烷进入高层大气后，经历复杂的光分解并最终能和氧原子结合成为水汽，使得高空水汽增多。这些额外产生的水汽会成为夜光云中冰晶的来源。对夜光云的研究，有助于揭示中间层顶的大气结构、大气波动和化学过程等的规律。

每天均有数以百万计的流星进入地球大气层后在中间层里被燃烧。流星可以轻松穿过外层大气层和热层，因为这些大气层没有太多空气，但当它们撞击到中间层时，中间层的气体足够浓密，可以减缓流星冲入大气层的速度，流星体进入中间层后，会与中间层的气态粒子相撞，导致铁或其他金属原子的高度集中。这种相撞大多会产生足够热力，使这些下坠物在到达地表前燃尽。

大气中的一些成分在太阳电磁辐射和来自外空的带电粒子的作用下发生分解、电离、复合及其他一些光化反应，发生各种发光现象，从地面上能观测到的气辉和极光即来自中间层。气辉是地球高层大气中由光化过程造成的弥漫性微弱发光现象。极光是由于太阳活动爆发出的高能带电粒子受地球极地磁场影响偏向两极，并经大气中的分子、原子激发而形成的彩色发光现象。有带状、扇状等多种形态，颜色也不尽相同，绿、白、黄、蓝居多。

从航空航天工程对资源利用的角度来讲，大气层从低到高可分为航空层（20km以下）、临近空间层（20~100km）和空间层（100km以上）。其中临近空间是高于一般飞机的飞行高度，又低于卫星的运行轨道，是人类尚未很好开发利用的空间。临近空间纵跨平流层、中间层和部分热层，空气比较稳定，大气以水平运动为主，平均速度10 m/s，层内干燥，水汽、杂质较少，湿度接近于零，温度几乎不变，适合超高空长航时飞行平台（如超高空气球、飞艇）等以及采用吸气式动力的飞行器平稳飞行。但紫外线的影响以及较低的空气密度和高度电离的空气也给飞行器带来了新的挑战。随着科学技术水平的不断发展，临近空间平稳规律的风场、高的太阳能利用效率、新的通信资源等均为临近空间飞行器的发展创造了有利条件。

激光引导星是在地面发射的一束激光的激发下，大气中间层的钠原子所形成的狭小光斑。1982年，美国星球大战项目发明了钠激光星，钠激光星的波长是589.2nm。在激光的激发下，大气层中间层的钠原子再次激发产生了钠光，形成一个人造激光星。钠激光星亮度低，不如瑞丽星亮，但是它的高度很高。

由于中间层是一个非常难以研究的区域，中间层的很多物理过程仍然未知，所以对中间层的研究也是中高层大气主要的研究方向。中间层温度的分布与大气臭氧及其光化学反应紧密相关，同时它亦受到大气重力波和大气环流结构的影响。模式和实验观测的研究表明，北半球中纬度地区中间层在致冷。探测中层大气温度的主要手段有火箭及高空气球探空、激光雷达和卫星等。激光雷达具有较高的时空分辨率，且能够进行单点长期连续的观测，为研究中层大气温度的变化及卫星数据的定标提供了较好的资料。

共振散射信号比一般的分子散射信号强几个量级，因此，可以利用原子的共振散射，探测原子的浓度分布及其活动情况。由于低层大气密度高引起淬灭效应，所以共振效应只能探测中间层金属碱原子的浓度分布及其活动情况。通过测量金属碱原子的浓度可以递推出中间层大气密度和温度的分布，并从而提出重力波的信息。该类激光雷达系统要求发射激光波长一定要对应某一金属碱原子的共振散射谱线。