Die Thermosphäre (von griechisch θερμός, thermós „warm, heiß“ und σφαίρα, sfära „Kugel“) ist die vierte und zweitäußerste der Schichten der Erdatmosphäre. Sie erstreckt sich von der in etwa 80 bis 85 Kilometer Höhe liegenden Mesopause, der oberen Grenze der Mesosphäre, bis unter die Exosphäre in etwa 500 bis 600 Kilometern über der Erdoberfläche. Die mittlere freie Weglänge einzelner Gasteilchen beträgt hier mehrere Kilometer, so dass ein Energieaustausch zwischen den Teilchen aufgrund seltenen Kontakts kaum stattfindet. Diese Gasmoleküle der extrem dünnen Atmosphärenschicht werden von der eintreffenden energiereichen kosmischen Strahlung ionisiert, also in Ionen und freie Elektronen gespalten, daher ist die Thermosphäre auch ein Teil der Ionosphäre. Aufgrund der geringen Dichte der Ionosphäre können diese Teilchen lange existieren, ehe sie wieder rekombinieren.
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