探测高层大气的方法可分为两类：①间接法。在地面、飞机、气球、火箭以及卫星上利用探测仪器观测高层大气中的物理现象来推算高层大气的成分、密度、运动和温度；或通过研究声、光、电波在大气中传播的特性，及其透过大气时所发生的变化，探测大气各高度上的密度、温度和电离程度等。②直接法。利用飞机、气球、火箭和卫星等升空工具，把探测仪器带到高空所要研究的高度上，测定飞行器周围的大气参数；或通过研究空间环境对飞行器的影响，如卫星的大气制动，来探测大气密度。

高层大气探测的常用方法有下列几种：①声波异常传播法。利用爆炸声波在大气中的异常传播，推算大气温度和风场的一种间接探测方法。具体做法是用火箭把榴弹带到高空爆炸，利用所产生的声波在大气中的传播，探测大气温度和风场，称为火箭榴弹法。中层大气中的逆温层最早就是用此法探测得到的。这种方法可以探测30～80千米的大气温度和风场。②流星余迹测量法。对流星同大气作用所遗留下的电离尾迹，用光学或无线电设备测得的流星亮度、速度、高度分布、尾迹漂移和回波持续时间等，进而推算出大气压力、密度、温度和风场等的方法。用此法还可以研究大气潮汐和重力波。一般测量高度为80～100千米。③激光雷达探测。利用激光对高层大气进行的一种遥感探测。是一种高层大气的间接探测方法。④无线电雷达探测。应用无线电波在大气中产生的反射与散射现象，对高层大气的探测方法。⑤气球探测。用气球将探测仪器携带到高空，对高层大气进行探测的一种方法。⑥火箭探测。利用火箭把探测仪器带到高空进行探测的一种方法。气象火箭专用于70～120千米高层大气结构的探测。探空火箭常用来对40～200千米高度间的大气进行直接测量。⑦卫星探测。利用人造卫星将探测仪器送到卫星轨道高度，直接测量卫星周围的大气或遥感更远处的大气。⑧卫星阻尼观测。观测近地人造卫星轨道受大气阻力作用产生的向地心收缩过程，用以推算高层大气对卫星的阻尼，从而求得高层大气密度的方法。