La atmósfera se divide en cinco partes: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. La mesosfera, por tanto, es la capa atmosférica que comienza a los 50 km de la superficie y alcanza los 80 km.
Es allí donde se produce el descenso de temperatura más acusado (de -10°C en la base a -90°C en la parte superior), debido al descenso de la densidad de los gases.
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Sin embargo, es lo suficientemente denso como para ofrecer resistencia a los cuerpos que entran en la órbita de la Tierra. La mayoría de las estrellas fugaces (meteoros) que vemos son cuerpos celestes que se queman por la fricción con el aire en la mesosfera. El transbordador espacial Columbia se incendió dentro de la mesosfera a una altitud de 61 km en 2003 durante el proceso de reingreso.
Debido a esta frecuente vaporización, en la mesosfera podemos encontrar átomos e iones metálicos suspendidos en esta región. La mesosfera, sin embargo, no tiene vapor de agua ni ozono, lo que significa que está constantemente bombardeada por la radiación emitida por el sol.
En la mesosfera ocurren algunos fenómenos curiosos y poco estudiados. Bajo las condiciones climáticas adecuadas, se forman cristales de hielo que pueden ser iluminados por el sol. durante el crepúsculo formando nubes noctilucentes (ocurre sólo en verano entre las latitudes de 50 y 70º).
En la mesopausa, que se encuentra a 90 km sobre la superficie, en el límite superior de la mesosfera, tiene lugar el fenómeno de la quimioluminiscencia (o aeroluminiscencia). Por la interacción de los átomos o moléculas de oxígeno con los rayos cósmicos se produce la emisión de luz que se puede ver desde el suelo.
