Sluneční energie není jediným faktorem určujícím teplotu atmosféry. Jak bylo uvedeno výše, zemský povrch po pohlcení slunečního záření ve viditelné oblasti vyzařuje infračervené záření zpět do vesmíru. Několik atmosférických plynů toto tepelné záření pohlcuje a znovu vyzařuje do všech směrů,Na grafu jsou nakresleny čáry spojující body o stejné teplotě (jako obrysové čáry na mapě), udávané ve stupních C. Obrázek 2 je pro prosinec až únor, což je na severní polokouli zima a na jižní léto. Jak se dalo očekávat, nejteplejší teplota se nachází na povrchu v blízkosti rovníku a klesá směrem k oběma pólům a/nebo s rostoucí nadmořskou výškou. Překvapivě se však nejchladnější místo ve spodních vrstvách atmosféry nachází v tropopauze nad rovníkem, kde je chladněji dokonce i nad polárními oblastmi. Ilustrace Hans & Cassidy. S laskavým svolením Gale Group. graf teploty (obr. 3) pro období červen až srpen (zima na jižní polokouli, léto na severní) ukazuje, že teplota na rovníku se s ročními obdobími příliš nemění. Ve středních a vysokých zeměpisných šířkách došlo k mnohem větším změnám, protože teplotní obrysy se posunuly na sever. Tropopauza nad rovníkem je stále extrémně chladná, překonává ji pouze stratosféra nad Antarktidou. Ilustrace Hans & Cassidy. Se svolením Gale Group.
Včetně zpět směrem k povrchu. Tyto tzv. skleníkové plyny tak zadržují infračervené záření v atmosféře a zvyšují její teplotu. Mezi důležité skleníkové plyny patří vodní pára (H2O), oxid uhličitý (CO2) a metan (CH4). Odhaduje se, že bez skleníkových plynů by teplota zemského povrchu byla v průměru asi o 32 °C nižší. Vzhledem k tomu, že tato teplota je hluboko pod bodem mrazu vody, je zřejmé, že bez skleníkového efektu by planeta byla mnohem méně pohostinná pro život.
Ačkoli jsou skleníkové plyny nezbytné pro podporu života na planetě, jejich větší množství nemusí být nutně lepší. Od počátku průmyslové revoluce v polovině 19. století vypouští člověk spalováním fosilních paliv do atmosféry stále větší množství oxidu uhličitého. Hladina oxidu uhličitého měřená ve vzdálené atmosféře vykazuje od roku 1958, kdy se začaly vést záznamy, neustálý nárůst. Pokud se tento nárůst promítne do podobného zvýšení teploty atmosféry, budou následky skutečně hrozivé: tání polárních ledovců a zvětšování moří, což povede k tomu, že pobřežní města budou pokryta oceánem; radikální změny klimatu, které odsoudí k zániku rostliny a živočichy, kteří se nedokážou dostatečně rychle přizpůsobit; a nepředvídatelné změny větru a počasí, což bude představovat značný problém pro zemědělství. Problémem při předpovídání změn, které může přinést zvyšující se množství skleníkových plynů, je skutečnost, že zemské klima je velmi složitý a vzájemně propojený systém. Vzájemné působení atmosféry, oceánů, kontinentů a ledovců není zcela pochopeno. Je sice známo, že část vypouštěného oxidu uhličitého je pohlcována oceány a nakonec se ukládá ve formě karbonátových hornin (např. vápence), ale nevíme, zda je tento proces stálý nebo zda dokáže držet krok s naším neustálým vypouštěním. Počítačové modely, které mají napodobit zemské klima, musí provádět mnoho aproximací. Nicméně výpočty těchto nepříliš dokonalých modelů naznačují, že zdvojnásobení množství oxidu uhličitého by znamenalo zvýšení průměrné povrchové teploty na severní polokouli o 4 až 6 °C (39 až 43 °F). I když to nezní jako mnoho, uvědomme si, že během poslední doby ledové, kdy velkou část severní polokoule pokrývaly rozsáhlé ledové příkrovy, byla průměrná teplota na Zemi pouze o 5 °C (41 °F) nižší než v současnosti.
.