フランスの気象学者レオン・フィリッペ・ティスラン・ド・ポール(1855 - 1913)は，フランス国立気象管理センターの所長をつとめた研究者で，水素をつめた気球を使って大気を調べた先駆者の一人です。水素は，１リットルあたり0.09ｇの重さがあります。これは，同じ１リットルの空気の重さ約1.2gに比べると大変小さいので，水素をふくろに入れると，気球を作ることができます。もし気球の中の水素が空気の中の酸素と化合すると爆発してしまうので，水素を使った気球は危険です。現在では，化合しないヘリウムを使うのが普通です。
水素気球に，記録が残るタイプの温度計をのせて，空高く飛ばすと，空の高いところの温度を測定することができます。現在は，温度計の記録を電波で送るラジオゾンデを使うのですが，ﾄﾞ・ポールの時代にはそういう機械はありませんでした。水素気球の中の圧力は地表でつめたときのものですから，空の高いところでは気球ははれつしてしまいます。すると気球についていた温度計は落下してくるので，どこに落ちたか見さだめて回収すれば，空の高いところの気温が測定できるというわけです。
気象管理センターの所長をやめて引退したド・ポールは，個人で気象観測所を作り，気球を使った高層大気の研究を始めました。最初のうちは，温度計が太陽の光であたたまって，うまく空気の温度が測定できなかったりしましたが，夜間に気球を飛ばすなどの工夫をし，２００回以上の観測を積み重ねました。そして，1902年に空気の温度は高さ１１ｋｍまでは下がっていくが，それ以上の高さでは上昇を始めることを発見しました。１１ｋｍより高いところと，１１ｋｍのところまでの空気の中で起きている現象は違うので，ド・ポールはこの高さを境にして，大気の性質が異なっていると考え，１１ｋｍより低いところを対流圏，それより高いところを成層圏と呼ぶことにしました。
では，なぜ１１ｋｍよりも高いところでは空気の温度が上昇していくのでしょうか？ その謎を解いたのは，イギリスの気象学者シドニー・チャップマン（1888 - 1970）でした。チャップマンはオーロラが発生するしくみなどの研究でも有名で，高層大気研究の先駆者の一人です。1920年代から，太陽の光を調べることによって，空の高いところに酸素原子が３つ化合した分子が存在することは知られていましたが，それができるしくみはよくわかりませんでした。1930年，チャップマンは大気中の酸素分子が，空の高いところで太陽からの紫外線の影響で化合してオゾンを作り，このときの反応でできる熱によって大気が温まるために，約５０ｋｍの高さまでは温度が上昇することを説明しました。彼の考えた酸素が化合する方法は，チャップマン機構と呼ばれています。ところで，約１１ｋｍから約５０ｋｍまでの高さのところで，酸素原子が３つ化合した分子の量を調べてみると，チャップマンが予想したものよりは少なくなっていました。これは，後に地表付近からやってくる物質によって，酸素の化合がじゃまをされているためであることが分かりました。