，从某个分子逸出的电子可能与另一失去电子的阳离子碰撞而复合，也可与中性分子暂时结合而成阴离子。在电离层中，电离与复合总在不断地进行着，但在一块地区内，自由电子和阴离子的浓度与阳离子的浓度基本上是相同的，因而总体呈电中性。这是物质的第四态，称为等离子体态。电离层的温度最高不超过1000k，属于冷而弱的等离子体。
太阳辐射的各种成分对大气的作用不同，短紫外线和射线使大气电离，较长的紫外线使大气分子分解为单个原子，更长的紫外线使2变为3。微粒流能引起大气电离和升高温度等多种作用。太阳辐射穿过大气时，因被吸收而衰减。穿越相同的气层，辐射的波长越短，衰减越多。因此，只有波长较长的紫外线能达到地面，大气的成分也因吸收紫外线而随高度改变。
研究和火箭实测表明，大约90k高度以下大气分子量没有明显变动，但在高度l0～50k范围内3含量的百分数较大，极大值约在20～35k处。35～40k以上出现n。90k以上2开始分解为氧原子，在更高处n2也开始分解，在约100k以上，大气的主要成分为、n2和n。在约500k以上，n2和2就都不存在了，he和h含量的百分数则逐渐增加，到2000k以上就只有这两种原子了。
大气分子有向外散逸的趋势。这种趋势与地球引力对抗的结果，大气压力随高度按指数规律衰减。各种成分所含的离子数可能在某一高度上出现最大值，但因各种因素（包括地磁场）对电离层同时作用以及带电粒子的迁移、散逸的结果，实际的离子浓度随高度的变动并不是几种成分理论分布的叠加。大体上，阴离子只存在于70k（白天）或90k（夜晚）以下，其上主要是浓度基本相同的阳离子和自由电子。浓度随高度的分布曲线在某几个高度上出现逗留，这些高度对于电磁波的反射起着重要的作用。各区域从下而上命名为d层（约在地面以上40～90k）、e层（约90～160k）和f层（伸展到数千公里以外）。