Газ атмосферы находится род действием потоков космических лучей и Солнечного ветра.

Число столкновительных взаимодействий между частицами пропорционально концентрациям частиц вещества во второй степени, ~ n², а число актов поглощения излучении пропорционально концентрации частиц в первой степени, ~ n. Поскольку концентрации частиц уменьшаются наружу, то чем выше над уровнем Земли, тем взаимодействие вещества с излучением более вероятно, чем столкновительное взаимодействие между частицами вещества. Введем количественный параметр, позволяющий оценить степень неравновесности атмосферы. Наиболее сильно с высотой меняется плотность вещества. Характерным макромасштабом изменения плотности является высота однородной атмосферы, H = kT/mg.

Характерным микромасштабом изменения состояния газа является длина свободного пробега между столкновениями частиц, l. Получим для неё формулу. Число столкновений в единицу времени, ν, равно числу частиц, которое встретит другая частица, движущаяся с относительной скоростью , на расстоянии меньше r, за единицу времени. Через минимальное расстояние между частицами, на котором они будут взаимодействовать друг с другом, выражается эффективное сечение взаимодействия, β = π r². Тогда ν = β vn. Обратная величина, - среднее время между столкновениями частиц. Тогда - средняя длина свободного пробега. Отношение характерного микромасштаба к макромасштабу называется числом Кнудсена,

и характеризует степень отклонения состояния газа от термодинамического равновесия. Газ находится в термодинамическом равновесии, когда часты столкновения между частицами, при этом длина свободного пробега должна быть мала, l мало, и Kn < < 1. Если Kn > > 1, газ находится в неравновесном состоянии. Kn ~ 0.1 соответствует переходные режим, когда на некоторых характерных масштабах возможно возникновение и нарастание отклонений от состояния термодинамического равновесия.

Важнейшим следствием неравновесного состояния ионосферы является то, что распределения по скоростям у электронного газа, ионной компоненты и нейтральных частиц характеризуются разными температурами. Поэтому для описания процессов в верхней атмосфере вводятся несколько разных температур: температура ионной компоненты, Т_и, электронного газа, Т_е, температура нейтральных частиц, Т. В общем случае

Те > Тi > Т,