有大氣層的行星比沒有大氣層的行星更溫暖。為了了解大氣層如何産生這種效應，我們首先檢查了在地球大氣層外運行的衛星收集的實驗數據。許多氣象衛星測量從表面和大氣層輻射到太空的能量。此圖中顯示了一個示例。

圖片來源：數據來自R.A.哈内爾等人，J.地球物理學。研究， 1972， 77， 2829-2841

大多數化學家都熟悉分光光度計和使用吸收光譜學在許多波長（包括紅外線）上進行樣品分析。因此，我們的第一種方法可能是将該圖解釋為紅外吸收光譜，将衛星下方的地球表面作為紅外光源，其發射光譜是約320 K（117°F - 正午時分的北非）的黑體。與320 K曲線的偏差，即到達探測器的輻射較少的下降，将歸因于大氣中氣體對紅外輻射的吸收。這些被标記以識别紅外吸收氣體：H2O 在波長範圍的末端，這裡，CO2吸收在13至17μm（約800至600厘米）之間–1），O3介于 9.5 和 10 μm （1050 到 1000 cm） 之間–1）和 CH4約 7.7 微米 （約 1300 厘米–1).正如我們所知，這些是負責使地球變暖并為生命創造條件的溫室氣體。

Nimbus 4衛星在地球表面上方約1000公裡處運行，獲得了該圖中的數據。黑色實線圖顯示了 1970 年 5 月 5 日清晨，當衛星飛越非洲北部尼日爾河谷時，電磁波譜的熱紅外區域中的輻射到達衛星探測器。在過去的四十年裡，許多其他氣象衛星也獲得了類似的數據。虛線曲線表示在指示的溫度下黑體的預期發射。ACS氣候科學工具包模塊的地球大氣應用頁面更詳細地探讨了它們的相關性。

The O3這是在對流層中，這是最接近地球所有天氣發生的地表的大氣層。這個 O3由NO的光化學反應産生x、一氧化碳和揮發性有機化合物，包括 CH4.平流層 O3保護表面免受太陽有害紫外線輻射是由O的光化學反應産生的2遠高于對流層。

這種基于實驗室分光光度計短程紅外吸收經驗的大氣發射數據的解釋未能解釋來自表面的輻射到達大氣頂部必須走很長的路徑。例如，即使在工業化前的大氣濃度下，CO2基本上吸收了所有667厘米–1地球表面附近的表面輻射。也就是說，這些光子（以及其他被CO吸收的光子）2）從表面發射的從未到達大氣層的頂部。在光譜學術語中，吸收是飽和的。那麼，在大氣層頂部檢測到的這些頻率下的光子來自哪裡呢？

為了了解這種輻射的起源以及大氣溫室效應的工作原理，我們需要更詳細地研究大氣對熱（紅外）輻射的吸收和發射。我們會發現，上面顯示的衛星數據是來自地表和大氣的溫度依賴性排放，它們加起來會産生平衡進入的太陽能的傳出發射，并在此過程中提供變暖機制。考慮整體能量平衡中涉及的所有能源轉換是複雜的，但可以分為幾個一般類别。下圖顯示了當前的能量平衡（或溫室氣體濃度增加的不平衡），該圖中對此進行了更詳細的讨論 大氣和行星溫度。

圖片來源：特倫伯斯，K.E.，法蘇洛，J.T.和基爾，J.T.，“地球的全球能源預算”

地球的藍天是一種不同的長路徑大氣現象。在短程分光光度法實驗中，可見光不會被大氣分子明顯散射。但是在穿越大氣層的長途跋涉中，短波長的藍色光子比長波長的紅色光子散射得更多一些，所以更多的藍色光子到達表面，我們看到天空是藍色的。

在接下來的幾頁中，我們将首先介紹大氣變暖效應機制的單層模型，然後是一個多層模型，該模型提供對衛星觀測數據的解釋。對于理解大氣變暖和氣候至關重要的是強迫和反饋效應，這是氣候敏感性的最重要組成部分，即通過溫室氣體強迫使行星溫度對給定量的輻射強迫的響應。

我們對大氣的狀态及其能量含量非常感興趣，因為我們生活在這個空氣海洋中，并與許多其他生物共享。然而，地球上有很大一部分生命生活在水海洋中，在儲存能量方面比大氣的作用要大得多。海洋對氣候的影響以及大氣中一氧化碳增加的影響2海洋和冰上的行星能量增益是ACS氣候科學工具包中海洋，冰和岩石模塊的主題之一。