Средняя температура поверхности Земли поддерживается балансом различных форм солнечной и земной радиации. Солнечное излучение часто называют "коротковолновым", поскольку частоты излучения относительно высоки, а длины волн относительно короткие и близки к видимой части электромагнитного спектра.
С другой стороны, наземное излучение часто называют "длинноволновым", поскольку частоты относительно низкие, а длины волн относительно длинные - где-то в инфракрасной части спектра. Движущаяся вниз солнечная энергия обычно измеряется в ваттах на квадратный метр.
Энергия общей солнечной радиации, поступающей в верхние слои атмосферы Земли (так называемая "солнечная постоянная"), составляет примерно 1 366 ватт на квадратный метр в год. С поправкой на то, что только половина поверхности планеты получает солнечное излучение в любой данный момент времени, средняя мощность солнечного излучения составляет 342 Вт на квадратный метр в год.
Количество солнечной радиации, поглощаемой земной поверхностью, составляет лишь небольшую часть от общего количества солнечной радиации, поступающей в атмосферу. На каждые 100 единиц поступающей солнечной радиации примерно 30 единиц отражается обратно в космос облаками, атмосферой или отражательными областями земной поверхности.
Эта отражательная способность называется планетарным альбедо Земли, и со временем она не должна оставаться фиксированной, поскольку пространственные размеры и распределение отражающих образований, таких как облака и ледяной покров, могут меняться. Неотраженные 70 единиц солнечного излучения могут поглощаться атмосферой, облаками или поверхностью.
При отсутствии дальнейших осложнений для поддержания термодинамического равновесия поверхность Земли и атмосфера должны излучать те же 70 единиц обратно в космос. Температура земной поверхности (и нижнего слоя атмосферы, в основном соприкасающегося с поверхностью) зависит от величины этого излучения исходящего излучения в соответствии с законом Штефана-Больцмана.
Бюджет энергии Земли еще больше осложняется парниковым эффектом. Отслеживаемые газы с определенными химическими свойствами - так называемые парниковые газы, в основном диоксид углерода (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O) - поглощают часть инфракрасного излучения с поверхности Земли. Из-за этого поглощения, некоторая часть первоначальных 70 единиц не выходит в космос напрямую.
Поскольку парниковые газы испускают такое же количество излучения, которое они поглощают, и поскольку это излучение испускается одинаково во всех направлениях (т.е. вплоть до восходящего), суммарный эффект поглощения парниковых газов заключается в увеличении общего объема излучения вниз в направлении поверхности Земли и нижней атмосферы.
Для поддержания равновесия поверхность Земли и нижние слои атмосферы должны излучать больше радиации, чем исходные 70 единиц. Следовательно, температура поверхности должна быть выше. Этот процесс не совсем такой же, как тот, который управляет настоящей тепличной системой, но конечный эффект аналогичен. Присутствие парниковых газов в атмосфере приводит к потеплению поверхности и нижней части атмосферы (и более высокому охлаждению в атмосфере) по сравнению с тем, что можно было бы ожидать в отсутствие парниковых газов.
Важно проводить различие между "естественным" или фоновым парниковым эффектом и "усиленным" парниковым эффектом, связанным с деятельностью человека. Естественный парниковый эффект связан со свойствами поверхностного потепления природных компонентов атмосферы Земли, особенно водяного пара, двуокиси углерода и метана. Существование этого эффекта признается всеми учеными.
Действительно, в его отсутствие средняя температура Земли была бы приблизительно на 33 °C (59 °F) холоднее, чем сегодня, и Земля была бы замерзшей и, вероятно, непригодной для жизни планетой. Спорным моментом является так называемый усиленный парниковый эффект, связанный с увеличением концентрации парниковых газов в результате деятельности человека. В частности, сжигание ископаемого топлива повышает концентрацию основных парниковых газов в атмосфере, и эти более высокие концентрации способны нагреть атмосферу на несколько градусов.