Otro criterio para la división de la atmósfera está basado en los procesos físico-químicos que en ella se producen, y así pueden considerarse dos grandes zonas: la ozonosfera y la ionosfera.

 La ozonosfera está situada entre los 12 y los 50 km de altitud, y constituye la capa de la alta atmósfera donde existe una cantidad de ozono apreciable. Esta cantidad es, en realidad, muy pequeña, sin que hasta la fecha puedan establecerse cifras definitivas. Un máximo aparece en los 20 km de altitud, y aveces este máximo puede llegar hasta la corteza terrestre.

 El ozono fué descubierto en la atmósfera en el primer tercio de este siglo al disponerse de grandes globos sonda y cohetes de alta penetración en el espacio. Se trata de un gas formado por tres átomos de oxígeno cuya densidad, superior a la del nitrógeno y el oxígeno, hace inexplicable aparentemente su máxima concentración a altitudes de 20 a 30 km. Ello ha obligado a pensar en un mecanismo de constante producción y destrucción de dicho gas a expensas del oxígeno molecular, mediante una reacción química cuya energía la proporciona la radiación solar.

 En Europa las mayores concentraciones de ozono tienen lugar con irrupciones de aire polar especialmente en primavera, corriente en chorro fluyendo desde el Norte, fuerte gradiente térmico vertical y situación tormentosa producida al paso de un frente frío o una oclusión fría.

 En verano el ozono desciende a niveles bajos especialmente por la contaminación atmosférica, es decir, hay dos efectos altamente desfavorables. Por un lado el ozono disminuye en la estratosfera y por otro aumenta abajo ocasionando efectos nocivos para la salud.

 Los niveles de vuelo donde hay cantidades apreciables de O₃ deben ser evitados aunque los medios de observación hoy en día no son suficientes.

 Por lo que respecta al aire introducido en la cabina para la respiración, la presencia del ozono puede eliminarse mediante filtros catalíticos adecuados, que transforman el ozono en oxígeno, mientras que los problemas de corrosión de los materiales son objeto de investigación por parte de las casas constructoras.

 La ionosfera es la porción de la atmósfera terrestre que contiene una apreciable cantidad de electrones libres que afectan notablemente a la propagación de las ondas electromagnéticas de radiofrecuencia.

 En 1925 algunos investigadores ingleses y norteamericanos, observaron que las ondas de radio experimentan una reflexión en la alta atmósfera y volvían después a la superficie en forma de eco, creándose en ocasiones ciertas zonas de silencio en regiones situadas entre el eco y la emisora. La reflexión se debe a la concentración de electrones en las capas altas de la atmósfera, y en principio se creyó que solamente exitía una capa reflectora, a la que se denominó capa de Kennelly-Heaviside, en honor a sus descubridores. Los electrones tienen tendencia a distribuirse en forma estratificada y estable, y cada investigaddor aportó su "capa particular".

 La formación de electrones libres en la alta atmósfera, se debe fundamentalmente a la luz ultravioleta emitida por el sol y al bombardeo por partículas.

 Por debajo de los 60 km la concentración de electrones, al menos en capas continuas, es practicamente nula. Entre los 90 y 400 km aparecen capas mejor definidas, que varían notablemente entre el día y la noche. Según la fecuencia crítica de penetración de las ondas de radio, la ionosfera se divide en diferentes regiones.

 La radiación que puede afectar al personal de vuelo en la atmósfera, se debe principalmente a la radiación cósmica. Esta radiación procedente del Sol y de las estrellas está constituida por protones y neutrones lanzados a altísimas velocidades, con una formidable energía de millares de electrovoltios y cuyos choques con los átomos de nitrógeno y oxígeno en la alta atmósfera producen fenómenos complejos, entre otros, las auroras boreales.

 La radioactividad aumenta con la altura y la latitud, siendo máxima en los Polos y mínima en el Ecuador, afectando principalmente a los aviones de alto techo, muy dentro de la estratosfera.

 No existe blindaje que pueda proteger a la tripulación y pasaje de los efectos de la radiación, aunque si existen instrumentos de exploración que avisan cuando conviene cambiar de nivel para evitarla.

 La presión disminuye con la altitud, siendo de 1.013,2 mb al nivel del mar, descendiendo rapidamente en los primeros 130 km de altitud. Al llegar a los 50 km es solo de 1 mb, y alos 100 km es una décima de mb.A partir de los 130 km el descenso de la presión con la altura se hace mucho menor, y al llegar a los 700 km se alcanza un valor comprendido entre 10^-8 y 10^-9 mb. El vapor de agua se encuentra principalmente en la troposfera, entre el nivel del mar y la tropopausa, donde su nivel es muy variable y juega un papel primordial en la formación de nubes e hidrometeoros.

 Por encima de la troposfera las temperaturas son tan extremadamente bajas, que no pueden producirse cantidades importantes de precipitación, aunque las nubes pueden alcanzar alturas mayores, con temperaturas de hasta -55º C.

 En la alta atmósfera, hacia los 82 km se presentan a veces unas extrañas formaciones de nubes, llamadas noctilucentes por aparecer de noche. Son de origen desconocido y parece ser que están formadas de polvo meteórico.

 La Tierra está cargada eléctricamente y puede asimilarse a una esfera conductriz cuya carga se halla en su superficie. Si la atmósfera fuera un dieléctrico perfecto, el campo eléctrico sería uniforme y debería variar de intensidad solamente con la altura. La experiencia muestra que el campo varía incesantemente y depende de una serie de factores, tales como la naturaleza del terreno, hora, estación del año, latitud, temperatura, humedad, presión, radiación solar y particulas de polvo.

 Experimentalmente se ha visto que el campo es de dirección vertical y sentido descendente, lo que sugiere inmediatamente la idea de que la Tierra está cargada negativamente. La diferencia de potencial entre el suelo y la ionosfera es de unos 360.000 voltios, y como la capa D está situada a 60 km, el valor medio del campo es de 6 voltios por metro.

 Aparecen en la atmósfera varios fenómenos, como las nubes de ceniza volcánica, las auroras y los meteoros.