Над тропосферой, после тонкого (около 1 км) переходного слоя — тропопаузы, располагается стратосфера (греч. стратос — слой). Она начинается на тех высотах (8 км над полюсами и 16— 18 км над экватором), за которые не распространяются конвекционные токи, хоть и обмен воздухом между тропо- и стратосферой происходит. В стратосфере содержится меньше 20% воздуха атмосферы.
Падение температур здесь прекращается и в нижней стратосфере, примерно до 20 км, она остается постоянной, около (—)60°—(—)70°С. Выше, до 55 км, температура повышается до нескольких градусов выше 0, воздух прогревается непосредственно солнечными лучами; озон поглощает солнечную радиацию, причем на ультрафиолетовом, наиболее энергичном участке спектра.
Озоновый экран, положивший предел распространению организмов и тепловому влиянию земной поверхности, и является верхней границей биосферы. Стратосферу можно назвать озоносферой. В ней, как показали последние исследования, происходит интенсивная и вертикальная, и горизонтальная циркуляция воздуха, вызванная неоднородным распределением в ней тепла.
