平流层顶以上的中气层(mesosphere)，温度随高度的增加而激降。大约在80公里的地方，到达最低。在中气层项，约为堡氏零下95度，是大气中温度的最低点。中气层内，海上升一公里，平均约减摄氏3度。

中气层范围大约自50至80公里处，温度一般都是向上递减，直至中气层顶，温度降至零下95 0C左右或更低，这也是大气垂直结构气温最低的地方，从地面到中气层顶(Mesopause)，大气中除了水汽和臭氧外，其他各种气体的成分近似不变，因此中气层以下区域，我们称之为匀和层。

由於气温随高度的上升而下降，中间层会发生较为强烈的垂直方向上的大气运动。但由於中气层的平均气温递减率比对流层的小，虽有少部份的对流活动发生，但相对地较稳定，甚少发生高气压、低气压的现象。亦因为中气层的大气密度非常之低，所以这层的热力构造主要由氧分子把太阳的紫外线吸收进而加热与二氧化碳放射出红外线而冷却两者的平衡。

在中气层值得注意的现象是，夏季会比冬季处於一个气温更低的状态。这是因为冬季时，大气重力波破碎在这一层输送向西的动量，如同施加向西的拖曳力。为了平衡这一拖曳力，大气必须朝极地经向运动获得朝东的科氏力。这一由夏极地到冬极地的经向运动造成了夏极地的大气上升，绝热膨胀冷却；多极地的大气则下沉，绝热压缩加热。这一环流对温度的影响超过了太阳辐射加热，因此中气层顶的温度反而是阳光直射的夏极地最冶，无阳光的冬极地最热。