Bilans cieplny Ziemi

Ziemia, jak każda inna planeta, otoczona jest próżnią i dlatego wymiana energii cieplnej z otoczeniem odbywa się wyłącznie poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. Jedyną znaczącą ilościowo energią docierającą do Ziemi jest energia światła słonecznego. Inne rodzaje energii, które zmieniają się w energię cieplną i ogrzewają powierzchnię Ziemi (np. energia geotermalna, energia pływów, energia rozpadów promieniotwórczych, energia powstała ze spalania paliw kopalnych) są znikomo małe w porównaniu z energią promieniowania słonecznego i mogą być pominięte.

Ziemia nie tylko otrzymuje, ale też oddaje energię cieplną w postaci promieniowania cieplnego, którego ilość zależy od temperatury planety.

Gdy średnia ilość energii docierającej do ciała nie zmienia się w czasie ustala się średnia temperatura planety, w której energia pobierana jest równa i energii oddawanej. Temperatura Ziemi praktycznie nie zmienia się (panuje stan równowagi termicznej), oznacza to, że energia otrzymywana jest równa energii wysyłanej. Opierając się na powyższych założeniach oraz na prawach promieniowania cieplnego Lashof oszacował, że bez atmosfery Ziemia miałaby średnią temperaturę około -18°C (Lashof 1989), inne źródła podają nawet temperaturę -27°C (zobacz modele klimatu).

Powyższe proste modele zakładają, że Ziemia znajduje się w stanie równowagi termicznej, ale skoro obserwuje się powolny ale długotrwały wzrost temperatury powierzchni Ziemi, topnienie lodowców, wzrost temperatury oceanów, oznacza to, że Ziemia otrzymuje więcej energii niż wypromieniowuje. Na podstawie szybkości wzrostu temperatury szacuje się, że różnica ta jest równa 0,85 W/m². By uzyskać stan równowagi, w obecnie panujących warunkach, temperatura Ziemi musiałaby wzrosnąć o około 1°C.

Głównym źródłem ciepła na Ziemi jest krótkofalowe promieniowanie słoneczne, które przechodząc przez atmosferę, ulega osłabieniu tak, że do powierzchni Ziemi dociera niewiele ponad jego połowę, tj. 52%. Pozostała część promieniowania jest pochłaniana przez ozon i chmury (15%) oraz od­bijana od chmur i rozproszona przez aerozole (33%). Natężenie promienio­wania padającego bezpośrednio na powierzchnię Ziemi zależy od wysoko­ści Słońca nad horyzontem, dlatego zmienia się ono w ciągu doby oraz w ciągu roku. Promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi jest od niej odbijane w 5% natomiast pozostałe 47% ulega pochłonięciu przez podłoże i przetworzeniu na ciepło, które Ziemia oddaje atmosferze w postaci promieniowania długofalowego.

Wypromieniowane przez Ziemię ciepło ogrzewa powietrze atmosferyczne głównie przez uwalnianie ciepła w czasie kondensacji pary wodnej (23%), pochłanianie promieniowania cieplnego (15%) oraz bezpośrednie przejmo­wanie ciepła i nagrzewanie się od podłoża (14%). W sumie Ziemia oddaje tyłe samo ciepła, ile otrzymuje. Gwarantuje to utrzymanie stałej średniej temperatury powierzchni Ziemi. Jest to tzw. równowaga cieplna Ziemi.