同温层（外文名：Stratosphere）是指地球大气对流层顶部至平流层中下层的区域，也即对流层顶部向上距离地表约25千米的大气层。

同温层的形成，与地球的演化过程密切相关。对流层与同温层之间的高度间隔，会随着地球纬度、季节和气候的不同而改变，无明显的分隔界限，一般以气温随着地表的变化作为间隔判定的基准。同温层的大气是由多种气体组成的混合物，主要成分为干洁空气、水汽和固体杂质。该层的大气温度平均为-55℃左右，气温几乎不随高度变化。其下部大气层在特定季节存在下层西风（东风）折转为上层东风（西风），且南北风分量很小的自然现象。在同温层，大气稀薄，水蒸气极少，通常没有云、雨、雪、雹等现象。

同温层的臭氧层能吸收绝大部分的太阳紫外线，使地球生物免受有害紫外线的危害。臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，使得平流层大气的温度逐渐上升，减少了地面气温下降的动力。同时，地球表面吸收来自太阳的短波辐射热量后升温，向大气释放长波辐射热量并被温室气体吸收，产生温室效应，从而防御地球上出现巨大的季节温差和昼夜温差。

同温层的气流平稳，没有太多的天气现象，飞行阻力小，能见度良好，很适合飞机飞行。同温层内部气体密度较小，气体运动也较少，对电波传播的影响很小，因而在20世纪末出现同温层通信技术，成为通信领域的技术革命，构成天地空一体化综合信息系统。另外，在国际法方面，划定外层空间与空气空间的界限以及划分国家领空主权的标准，与航空器的高度或同温层的区域范围也有关联。由于人类大量使用消耗臭氧层物质，加剧了温室效应，国际社会已对此高度重视，正在采取控制措施恢复臭氧层。

同温层位于地球大气对流层顶部至平流层中下层，也即从对流层顶部向上距离地表25千米左右的区域。在此区域内，大气温度保持不变，所以称为同温层。对流层与同温层之间的高度间隔会随着地球纬度、季节和气候的不同而改变，其间并没有明显的分隔界限，一般以气温随着地表的变化作为间隔判定的基准。

测量大气层与人类航空航天器的发展紧密相连。18世纪，通过爬山，科学家们发现大气的温度会随着高度的上升一直减小，于是就根据高度和温度的关系计算出大气层高度的极限是30千米。1749年，英国科学家威尔逊将小型温度计绑在风筝上，放飞到1000多米的高空中，第一次测到了低层大气的温度。1783年，人类发明热气球之后，科学家乘坐热气球测量大气温度，发现直到10千米左右的高空大气的温度都是随着高度的升高而降低；10千米以上的高空，氧气过于稀薄，气温也十分低。

到20世纪初，探空气球的发明给大气层科研活动提供了新的可能。1902年，法国和德国的科学家利用探空气球发现，在超过10千米的高空后不久，大气温度并未一直降低，反而有上升，这就是平流层的发现。1930年，苏联的莫尔恰夫通过无线电探空仪，首次完成对平流层的无线电探空仪观测。20世纪前半期，大气科学形成了以皮叶克尼斯、帕尔门等人牵头的气象学的挪威学派、以卡尔-古斯塔夫·罗斯贝为首的芝加哥学派，提出了不稳定波动理论、斜压不稳定理论、正压不稳定理论和大气长波的频散理论等。此后，科学家们不断借助科技手段，探索研究平流层以上大气的性质。

地球之所以拥有大气层是因为重力。地球大气层的形成与地球的演化过程密切相关，大致经过地球形成阶段、大气圈由还原性气氛变为氧化性气氛和生命形成三个阶段。

大约在45亿年前，宇宙星云中的物质在引力的作用下形成熔融的行星地球。它的外面包围着一层原始大气，主要成分是甲烷（CH4）、氢气（H2），次要成分是水蒸气（H2O）、氮气（N2）、氨（NH3）等。大约30亿年之后，出现光合作用系统进化，使得大气中的氧气（O₂）含量逐渐增长。

在大气圈由还原性气氛变为氧化性气氛阶段，由于氧气继续被地面岩石或水中沉积物俘获，因而氧气仍不能积聚，但大气的成分已由还原性转化为氧化性。由于氧气分子能吸收由太阳辐射来的高能量光子，发生臭氧（O3）反应。臭氧可以吸收大量的短波太阳辐射而分解，或与原子氧作用，形成氧气。这些反应循环往复，致使在平流层形成臭氧分子浓度相对较高的臭氧层，从而形成大气圈今日面貌，同时也促进了生物分子形成以及地球生命形成。

地球大气层中最靠近地面的一层称为对流层（Troposphere），也是地球大气层中空气密度最高的一层。对流层的大气温度随着离地表垂直高度的升高而降低，因而是天气变化最复杂的一层，有云、雨、雪、雹等现象。由于地形和地貌的不同以及气温与气压的变化，促使空气在垂直方向和水平方向形成强烈的对流，从而产生水平方向和垂直方向的阵风。对流层顶部向上至大气平流层的下半部的区域，大气温度保持不变，大气稀薄，水蒸气极少，大气中没有空气上下对流引起的垂直方向的风，只有风向稳定的水平方向风，通常没有云、雨、雪、雹等现象，因而这个区域被称为同温层。

大气是由多种气体组成的混合物，主要成分为干洁空气、水汽和固体杂质。大气中除去水汽和固体杂质外的整个混合气体就是干洁空气，是大气的主体。干洁空气的成分中，氮气占大气总量的78%，氧气占大气总量的21%。此外，有1%的大气成分是微量气体，包括二氧化碳、甲烷、氩（Ar）等。大气中的水汽来源于地面水体和陆地表面的蒸发与植物的蒸腾，高度愈高，水汽愈少。悬浮在大气中的固体杂质包括烟粒、尘埃、盐粒等，集中分布于低层大气中。

同温层的大气温度平均为-55℃左右，在中高纬度地区为-45°C左右。由于极地的地面气温相对较低，因而极地的同温层会在较低高度出现。同温层的气温几乎不随高度变化。平流层下部20千米高度附近的大气层，在特定季节存在下层西风（东风）折转为上层东风（西风），且南北风分量很小的自然现象，大概有半年时间都是西风环流，另外半年大概是东风环流，这种纬向风的转换层称为平流层准零风层。在同温层，大气稀薄，水蒸气极少，通常没有云、雨、雪、雹等现象。

同温层的臭氧层能吸收绝大部分的太阳紫外线，使地球生物免受紫外线的危害。臭氧层中的臭氧分子能够吸收紫外线的能量，分解成为氧原子，并很快与大气中的氧气发生进一步的化学反应生成新的臭氧分子，使臭氧层中的臭氧分子达到动态平衡。这个过程周而复始，从而抵挡大量的有害的紫外线到达地球。

同温层的臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，使得平流层大气的温度逐渐上升。如果同温层的臭氧减少，则会产生使地面气温下降的动力。同时，来自太阳的热量以短波辐射的形式，穿越大气层到达地球，地球表面吸收这些热量后升温，向大气释放长波辐射热量并容易被大气中的温室气体吸收，使得地球表面的大气温度升高，从而产生温室效应。温室气体主要有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮（N2O）、氯氟碳化合物（CFCs）及臭氧组成。假若没有温室效应，地球上的季节温差和昼夜温差就会很大，地球表面的温度将会处于低寒状态，不适宜人类生存。但是由于人类活动释放大量的温室气体，使得大气中温室气体的浓度急剧升高，造成温室效应不断加剧，全球平均气温逐年升高，导致全球气候变暖，产生一系列全球性气候问题。

飞行环境即飞行器在大气层内飞行时的环境条件，会直接或间接地对飞行器的空气动力学、飞行轨迹、结构与材料、飞行性能等造成影响，甚至对飞行安全产生威胁。由于同温层的空气主要以水平流动为主，没有太多上升和下沉的气流运动，也没有太多的天气现象，气流平稳，飞行阻力小，能见度良好，很适合飞机飞行。因而一般飞机的巡航高度，就在对流层和平流层的交界处附近。现代民航使用最多的是喷气客机，其飞行最佳巡航高度和飞行的大部分时间，通常都集中在9000米至12500米之间。

气体密度的不均匀性会导致气体的折射率也不均匀，使电波在传播过程中会发生折射现象，导致电波的衰落和多径传输。同温层内部气体密度较小，同时气体的运动也较少，因此同温层对电波传播的影响非常小。20世纪末，在空中定位技术基本完善的基础上，同温层通信技术涌现，成为通信领域技术革命的产物。同温层空间使用准静止的长驻空飞艇作为高空信息平台，与地面控制设备、信息接口设备以及各种类型的无线用户终端构成的天地空一体化综合信息系统，产生了同温层通信系统。与通信卫星相比，它往返延迟短、自由空间衰耗少，有利于实现通信终端的小型化、宽带化和对称双工的无线接入；与地面蜂窝系统相比，同温层平台的作用距离、覆盖地区大、信道衰落小，因而发射功率可以显著减少。因而，它不但大大降低了建设地面信息基础设施的费用，也降低了对基站周围的辐射污染。

同温层气球是一种通用宽带、多媒体、低造价的通信系统。它既可实现实时、宽带、多媒体通信，也可以和便携式窄带终端连接。同温层电信业务可以把数字电话、计算机与视频信息等传送到便携式多媒体终端、无线局域网终端以及固定无线网络等。和卫星通信相比，同温层气球平台在环保方面具有突出的优点，例如它不需要火箭发射、没有发射火箭时所产生的各种有害气体；主要使用太阳能发电，利用同温层的等离子体，不会对臭氧层起破坏作用；气球平台失效时还可以回收修复，不会成为空间垃圾等。此外，气球平台造价较低。

外层空间的利用引起了人类生活各方面的变化，也引起了许多国际法问题，联合国发表了一系列有关外层空间的探索和利用的宣言和决议，国际间签订了一系列有关外层空间的条约。在划定外层空间与空气空间的界限的理论和标准方面，“空间论”主张以空间的某一高度作为基础划分国家领空与外层空间的范围，在具体的高度标准中较为代表性的有“以航空器能够上升的最高高度或大气同温层的高度为限”。其主要依据是1944年12月在美国芝加哥签订的《国际民用航空公约》（也称为《芝加哥公约》）第七号附件解释“航空器”为依靠空气支持的任何飞行工具。而根据航空技术水平，飞机上升最高限度为离地面约30~40千米。

臭氧主要存在于距地球表面20千米的同温层下部的臭氧层中，它可以保护地球表面生物不受紫外线侵害。消耗臭氧层物质的，是一类会破坏高层大气中保护性臭氧层的卤素化合物，曾在20世纪被用作推进剂、制冷剂和溶剂。这种物质是一类威力很强的温室气体，在大气中的寿命较长，能显著加剧人为引起的温室效应。例如工业上大量生产和使用的全氯氟烃、全溴氟烃等物质，当它们被释放并上升到平流层时，受到强烈的太阳紫外线UV-C的照射，分解出Cl-、Br-自由基，这些自由基很快地与臭氧进行连锁反应，摧毁大量臭氧分子，导致臭氧层遭到破坏。随着大气温室效应不断加剧，全球平均气温也必将逐年升高，最终导致全球气候变暖，产生一系列现在科学不可预测的全球性气候问题。加强消耗臭氧层物质管理，是保护臭氧层和生态环境、应对气候变化的重要举措。为推动保护臭氧层工作，国际社会于1987年达成了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，明确了受管控的消耗臭氧层物质范围以及缔约国分阶段淘汰受控物质的目标要求。此后，消耗臭氧层物质的排放得到了控制，臭氧层也在缓慢恢复中。