La composition chimique de la mésosphère reste globalement similaire à celle des couches inférieures, dominée par l'azote et l'oxygène, mais la densité de l'air y est extrêmement faible, devenant des milliers de fois plus ténue qu'au niveau de la mer. Cette raréfaction des molécules s'accompagne d'une absence quasi totale de vapeur d'eau et d'une concentration d'ozone négligeable. On y observe toutefois la présence d'une fine couche de sodium atomique, située autour de 80 à 90 kilomètres d'altitude, qui provient principalement de la vaporisation des météoroïdes pénétrant dans l'atmosphère. Cette couche de sodium est d'ailleurs exploitée par les scientifiques pour créer des étoiles guides artificielles en astronomie adaptative, permettant de corriger les turbulences atmosphériques pour l'observation des télescopes.

Sur le plan des phénomènes observables, la mésosphère joue un rôle de bouclier protecteur pour la Terre. C'est dans cette région que la majorité des météores et des débris spatiaux se consument en raison des frottements avec les molécules d'air, donnant naissance au spectacle des étoiles filantes. Par ailleurs, c'est dans la haute mésosphère, près de la mésopause, que se forment les nuages noctulescents (ou nuages mésosphériques polaires). Ces formations nuageuses, composées de cristaux de glace, sont les nuages les plus élevés de l'atmosphère et ne sont visibles que lors des crépuscules estivaux aux hautes latitudes, lorsque le Soleil éclaire ces altitudes depuis sous l'horizon. La mésosphère abrite également des phénomènes lumineux transitoires spectaculaires, tels que les sprites (ou sylphes rouges) et les jets bleus, qui se déclenchent au-dessus des orages violents et établissent une connexion électrique entre la troposphère et les couches atmosphériques supérieures.

La dynamique de la mésosphère est profondément influencée par la propagation des ondes de gravité et des ondes de marée atmosphériques générées dans les couches inférieures, notamment par le relief ou les systèmes météorologiques intenses. Lorsque ces ondes atteignent la mésosphère, la faible densité de l'air provoque une augmentation de leur amplitude jusqu'à ce qu'elles se brisent, de manière analogue aux vagues océaniques déferlant sur un rivage. Ce processus de déferlement transfère de la quantité de mouvement et de l'énergie, pilotant la circulation globale de la haute atmosphère et contribuant au mélange des constituants chimiques entre les différentes couches.

L'exploration de la mésosphère représente un défi technologique majeur. Cette région, d'ailleurs parfois surnommée l'ignorosphère, se situe en effet trop haut pour être atteinte par les ballons-sondes ou les avions de recherche, mais trop bas pour que les satellites en orbite basse puissent y circuler durablement sans subir une traînée atmosphérique destructrice. Pour contourner ces obstacles, les chercheurs utilisent des fusées-sondes suborbitales, des systèmes lidar au sol, des radars et des instruments de télédétection embarqués sur des satellites pour sonder indirectement ses propriétés physiques et chimiques. L'étude approfondie de cette couche reste essentielle pour comprendre la variabilité climatique globale, car les changements dans la basse atmosphère, comme l'augmentation des gaz à effet de serre, peuvent provoquer un refroidissement et une contraction de la mésosphère et modifier ainsi l'équilibre délicat de l'ensemble du système atmosphérique terrestre.

Les mésosphères extraterrestres.
La mésosphère terrestre trouve des analogues et des contrepoints sur les autres corps du Système solaire. Partout où une atmosphère suffisamment dense existe pour qu'un gradient thermique vertical puisse s'établir par équilibre radiatif et dynamique, une région mésosphérique se structure comme une zone de transition entre le chauffage de la stratosphère sous-jacente et les dépôts d'énergie de la thermosphère sus-jacente. Les conditions de pression, de composition chimique et d'éclairement solaire y sculptent cependant des mésosphères aux propriétés radicalement différentes, parfois inattendues.

Vénus possède une mésosphère qui est un objet d'étude privilégié pour comprendre la dynamique atmosphérique extrême. La mésosphère s'y étend approximativement entre 65 et 100 kilomètres d'altitude. Cette région est un théâtre de contrastes thermiques et de circulations violentes. La température y chute depuis les valeurs déjà modérées de la haute stratosphère jusqu'à atteindre des valeurs minimales d'environ 170 à 180 K à la mésopause, soit une centaine de degrés Celsius au-dessous de zéro. Ce gradient négatif est le résultat d'un refroidissement radiatif intense du dioxyde de carbone, qui rayonne efficacement vers l'espace dans l'infrarouge. La caractéristique la plus frappante de la mésosphère vénusienne est le phénomène de super-rotation : alors que la planète elle-même tourne très lentement sur elle-même, l'atmosphère à ces altitudes est animée de vents zonaux furieux, soufflant d'est en ouest à des vitesses pouvant dépasser 100 mètres par seconde, faisant le tour de la planète en seulement quatre jours terrestres environ. Cette super-rotation, dont les mécanismes exacts restent débattus, transfère d'énormes quantités de moment cinétique et de chaleur, et crée des structures ondulatoires de grande échelle, comme l'onde en Y, une déformation massive de la couche nuageuse supérieure. La mésosphère vénusienne est également le siège d'une chimie du soufre complexe : c'est là que le dioxyde de soufre, injecté par le volcanisme ou transporté depuis les couches profondes, est photodissocié, produisant des aérosols d'acide sulfurique qui forment le pont supérieur des nuages opaques, et où des espèces réactives comme le monoxyde de soufre sont générées. La variabilité temporelle y est intense, avec des ondes de gravité, des instabilités de cisaillement et des cellules de convection qui brassent cette région, créant une météorologie mésosphérique d'une richesse insoupçonnée, bien que totalement inaccessible à une observation directe depuis le sol.

Mars offre le cas d'une mésosphère dont l'existence même est modulée par les cycles saisonniers et l'ensoleillement. Dans les modèles standards de l'atmosphère martienne, la mésosphère se situe typiquement entre 70 et 100 kilomètres, et se caractérise, comme sur Terre et Vénus, par une décroissance de la température avec l'altitude. La mésopause martienne, le point le plus froid de l'atmosphère, peut descendre à des températures extrêmement basses, inférieures à 130 K, voire, comme l'ont révélé les mesures de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter, jusqu'à des valeurs proches du point de congélation du dioxyde de carbone. Cette propriété est cruciale car le CO2, constituant à 95 % de l'atmosphère, peut alors condenser directement en glace carbonique. La mésosphère martienne est ainsi le seul endroit connu du Système solaire, en dehors peut-être des nuages de très haute altitude sur Vénus, où l'on observe des nuages de glace de CO2. Ces nuages mésosphériques, d'une altitude de 80 à 100 kilomètres et d'une ténuité extrême, sont le miroir exact des nuages noctulescents terrestres qui se forment à la mésopause dans des conditions de froid et de vapeur d'eau. Ils ont été détectés par occultation stellaire et imagés au limbe, apparaissant comme des voiles nacrés au-dessus du terminateur. La dynamique de la mésosphère martienne est caractérisée par des ondes de marée thermique diurnes et semi-diurnes très puissantes, excitées par le chauffage solaire de la surface et de la poussière atmosphérique, qui se propagent vers le haut, amplifient leur amplitude avec la baisse de densité, déferlent, brassant la mésosphère et contribuent à son équilibre thermique. Lors des tempêtes de poussière globales, qui réchauffent la basse atmosphère et refroidissent les couches supérieures par un effet d'écran, la mésosphère martienne subit des modifications radicales de température, de circulation et de composition, révélant le couplage vertical intense de cette planète.

Les planètes géantes présentent des structures thermiques où la définition même d'une mésosphère devient plus subtile mais néanmoins présente. Pour ces mondes, on définit la mésosphère comme la région située entre la stratosphère, où la température augmente avec l'altitude à cause de l'absorption du rayonnement solaire par le méthane, et la thermosphère, où le chauffage par les aurores et les ondes de gravité reprend le dessus. Dans la mésosphère des géantes, la température décroît, atteignant ici encore un minimum local à la mésopause. Sur Jupiter, la mésosphère est une région ténue entre environ 100 et 300 kilomètres au-dessus du niveau de pression de 1 bar. La température y chute jusqu'à des valeurs minimales de l'ordre de 110 à 130 K. Cette couche est le siège d'une chimie des hydrocarbures et de l'ammoniac, et elle est probablement le lieu de formation de brumes de faible altitude, similaires à celles observées sur Titan mais bien moins denses. Ce qui rend la mésosphère des géantes particulièrement intrigante est son rôle de filtre dynamique pour les ondes de gravité générées dans les couches profondes par la convection orageuse. Ces ondes montent, traversent la stratosphère stable et viennent déposer leur énergie et leur quantité de mouvement dans la mésosphère, créant des zones de chauffage localisé, d'inversion de température et de vents zonaux oscillants, une oscillation quasi-biennale analogue à celle de la stratosphère terrestre mais s'exprimant dans la mésosphère équatoriale de Jupiter et de Saturne. Saturne, en particulier, montre des oscillations de température et de vents dans sa mésosphère équatoriale avec une périodicité complexe d'une quinzaine d'années terrestres, révélant un couplage profond entre la dynamique interne et les couches atmosphériques supérieures.

Titan, le plus grand satellite de Saturne, possède une mésosphère qui est un monde à part entière, la plus complexe et la plus riche chimiquement de toutes les mésosphères du Système solaire après celle de la Terre. Elle s'étend entre la stratosphère, vers 150 kilomètres, et la thermosphère, vers 500 à 600 kilomètres. La température y décroît depuis un maximum stratosphérique d'environ 180 K jusqu'à un minimum mésosphérique d'environ 150 K avant de remonter dans la thermosphère. La particularité de la mésosphère de Titan est qu'elle constitue le coeur du cycle photochimique de production des aérosols organiques. Le méthane, montant de la troposphère, et l'azote moléculaire sont soumis, dans la thermosphère et la haute mésosphère, au rayonnement ultraviolet solaire et au bombardement de particules énergétiques de la magnétosphère saturnienne. Ceci initie une cascade de réactions qui génère des hydrocarbures lourds et des nitriles, comme l'acétylène, l'éthylène, le cyanure d'hydrogène et le diacétylène. Ces molécules, en se condensant, forment la brume détachée, une couche d'aérosols de tholins clairement visible en altitude, séparée de la brume principale plus basse. Cette brume mésosphérique, observée par la sonde Cassini, est un indicateur de la circulation méridienne et des ondes planétaires. La mésosphère de Titan est donc non seulement une couche thermique, mais une véritable usine chimique planétaire, dont les produits solides sédimentent lentement vers la surface, façonnant les dunes et les paysages de Titan.

Hors du Système solaire, il convient encore évoquer le cas des exoplanètes de type jupiter chaud, pour lesquels la notion de mésosphère se déduit de profils de température observés ou modélisés. Pour ces planètes en orbite très proche de leur étoile, la face jour est soumise à un flux radiatif extrême. Dans les modèles, la structure thermique montre fréquemment une stratosphère chauffée par des absorbeurs à haute altitude comme l'oxyde de titane ou le vanadium, surmontée d'une mésosphère où la température décroît par refroidissement radiatif de molécules comme le monoxyde de carbone, avant que la thermosphère, chauffée par le rayonnement X et UV extrême, ne reprenne le dessus. Certaines observations de transits dans l'ultraviolet ont suggéré que des métaux comme le magnésium, le fer ionisé et peut-être le silicium sont présents à ces altitudes mésosphériques, échappant même partiellement à l'attraction gravitationnelle de la planète. Dans ces mondes, la mésosphère est une région de vents supersoniques, de condensation de nuages de fer et de silicates, et de dissociation moléculaire intense, un analogue extrême des processus qui, à des températures plus clémentes, structurent les mésosphères de notre propre voisinage planétaire.