Lo strato al di sopra della troposfera e della tropopausa è chiamato stratosfera. In questo strato le componenti nocive della radiazione UV sono regolate dal meccanismo di formazione e scomposizione dell’ozono. La stratopausa separa la stratosfera dallo strato successivo denominato mesosfera.
La stratosfera si trova al di sopra della tropopausa e si estende approssimativamente fra i 15 - 25 e i 50 km di quota. La radiazione ultravioletta (UV) proveniente dal Sole viene suddivisa in tre componenti denominate tecnicamente UV-A, UV-B e UV-C. Le radiazioni delle componenti UV-B e UV-C sono nocive per la salute umana.
Entrando nello strato superiore della stratosfera le radiazioni UV-C incontrano le molecole di ossigeno (O2), formate da due atomi di ossigeno. Quando una molecola di ossigeno è colpita dalle radiazioni UV-C, essa assorbe tale radiazione, ma l’energia così assorbita provoca la rottura della molecola. I due singoli atomi di ossigeno sono liberi di muoversi in modo indipendente e liberamente nell’aria. Parte dell’energia delle radiazioni UV-C assorbita viene anche trasformata in energia termica.
Benché liberi di muoversi autonomamente i due atomi di ossigeno non tardano o a ricombinarsi nuovamente per formare una nuova molecola di ossigeno (O2) oppure a combinarsi con un terzo atomo di ossigeno formando una molecola di ozono (O3). L’ozono è una molecola instabile che è in grado di assorbire velocemente le radiazioni UV-B. Con tale assorbimento i legami fra gli atomi di ossigeno (un legame doppio e uno singolo) si spaccano e la molecola di ozono si rompe liberando una molecola di ossigeno (O2) e un singolo atomo di ossigeno.
I processi di formazione e scomposizione dell’ozono stratosferico si ripetono in continuazione, anche se diminuendo di quota, avvicinandosi dunque alla superficie terrestre, la quantità di radiazioni UV-B e UV-C in gioco diminuisce progressivamente. Di conseguenza anche la quantità di energia termica rilasciata da questo processo diminuisce diminuendo di quota. Ciò porta alla formazione di un gradiente verticale della temperatura all’interno della stratosfera. La temperatura alla base della stratosfera è solitamente attorno a -56°C, mentre alla sommità della stratosfera è attorno ai +9 °C. Se nella troposfera la temperatura in genere diminuisce salendo in quota, nella stratosfera al contrario essa aumenta man mano che si sale. È questo diverso comportamento della temperatura che viene preso come riferimento per separare la troposfera dalla stratosfera. In altre parole la stratosfera è uno strato caratterizzato da una gigantesca inversione termica.
I due processi appena descritti, quello della formazione e quello della scomposizione dell’ozono, portando all’assorbimento totale delle radiazioni UV-C e all’assorbimento praticamente completo delle radiazioni UV-B, prima che giungano alla superficie terrestre. Entrambe sono cancerogene e dunque nocive alla salute umana. È solo grazie a questi due processi che la vita sulla Terra è possibile. Inoltre, la concentrazione di ozono diminuisce avvicinandosi alla superficie terrestre, in quanto la radiazione necessaria a formare e a scomporre l’ozono viene vieppiù assorbita man mano che si scende di quota. Ciò ha una ricaduta positiva per l’intera biosfera perché l’ozono è una sostanza nociva per tutte le forme di vita.
Poiché la formazione dell’ozono nell’atmosfera è influenzata direttamente dalla radiazione solare, la concentrazione dell’ozono nella stratosfera mostra sia una variazione stagionale, sull’arco dell’anno, sia una variazione spaziale. Il valore massimo della concentrazione di ozono nella stratosfera si misura sopra l’equatore, mentre il valore minimo sopra le regioni polari. La forte variazione della radiazione solare fra l’inverno e l’estate sopra le regioni polari, fa sì che anche la concentrazione di ozono sopra queste zone è soggetta a forti variazioni durante l’anno. Ne consegue che, a parità di quota, la temperatura nella stratosfera diminuisce muovendosi dalla zona polare “estiva” a quella della zona polare “invernale”, passando per la regione equatoriale.
Al margine superiore della stratosfera la densità dell’aria è talmente bassa che non sono più presenti molecole di ossigeno in numero sufficiente da sostenere la produzione di ozono. Ci troviamo in uno strato di transizione in cui la temperatura rimane pressoché costante sulla verticale. Questo strato è chiamato stratopausa. Al di sopra di esso, vale a dire in genere al di sopra dei 50 km, si trova lo strato successivo, denominato mesosfera.