Die Sonnenenergie ist nicht die einzige Determinante der atmosphärischen Temperatur. Wie bereits erwähnt, gibt die Erdoberfläche, nachdem sie die Sonnenstrahlung im sichtbaren Bereich absorbiert hat, Infrarotstrahlung in den Weltraum ab. Mehrere atmosphärische Gase absorbieren diese Wärmestrahlung und strahlen sie in alle Richtungen ab. Auf dem Diagramm sind Linien eingezeichnet, die Punkte gleicher Temperatur verbinden (wie Höhenlinien auf einer Landkarte), angegeben in Grad C. Abbildung 2 bezieht sich auf die Monate Dezember bis Februar, also Winter auf der Nordhalbkugel und Sommer auf der Südhalbkugel. Wie zu erwarten, ist die wärmste Temperatur an der Oberfläche in Äquatornähe zu finden und sinkt mit der Annäherung an einen der beiden Pole und/oder mit zunehmender Höhe. Überraschenderweise befindet sich der kälteste Punkt in der unteren Atmosphäre jedoch an der Tropopause über dem Äquator, wo es kälter ist als in den Polarregionen. Illustration von Hans & Cassidy. Das Temperaturdiagramm (Abbildung 3) für Juni bis August (Winter auf der Südhalbkugel, Sommer auf der Nordhalbkugel) zeigt, dass sich die Temperatur am Äquator im Laufe der Jahreszeiten kaum ändert. In den mittleren und hohen Breitengraden sind die Veränderungen viel größer, da sich die Temperaturkonturen nach Norden verlagert haben. Die Tropopause über dem Äquator ist immer noch extrem kalt und wird nur noch von der Stratosphäre über der Antarktis übertroffen. Illustration von Hans & Cassidy. Mit freundlicher Genehmigung der Gale Group.
einschließlich der Rückstrahlung zur Oberfläche. Diese so genannten Treibhausgase fangen also die Infrarotstrahlung in der Atmosphäre ein und erhöhen deren Temperatur. Wichtige Treibhausgase sind Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4). Man schätzt, dass die Oberflächentemperatur der Erde ohne Treibhausgase im Durchschnitt etwa 32 °C (90°F) kühler wäre. Da diese Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt, ist es offensichtlich, dass der Planet ohne den Treibhauseffekt viel weniger lebensfreundlich wäre.
Treibhausgase sind zwar für das Leben auf dem Planeten unerlässlich, aber mehr ist nicht unbedingt besser. Seit dem Beginn der industriellen Revolution Mitte des 19. Jahrhunderts hat der Mensch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe immer größere Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben. Der in der Fernatmosphäre gemessene Kohlendioxidgehalt hat seit Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 1958 kontinuierlich zugenommen. Wenn sich diese Zunahme in einem ähnlichen Anstieg der atmosphärischen Temperatur niederschlägt, wären die Folgen in der Tat verheerend: schmelzende Polkappen und anschwellende Meere, die dazu führen, dass Küstenstädte vom Meer bedeckt werden; radikale Klimaveränderungen, die Pflanzen und Tieren, die sich nicht schnell genug anpassen können, zum Verhängnis werden; und unvorhersehbare Veränderungen der Wind- und Wettermuster, die die Landwirtschaft vor große Herausforderungen stellen. Das Problem bei der Vorhersage der Veränderungen, die eine Zunahme der Treibhausgase mit sich bringen könnte, besteht darin, dass das Klima der Erde ein sehr kompliziertes, zusammenhängendes System ist. Das Zusammenspiel zwischen der Atmosphäre, den Ozeanen, den Kontinenten und den Eiskappen ist nicht vollständig verstanden. Es ist zwar bekannt, dass ein Teil des ausgestoßenen Kohlendioxids von den Ozeanen aufgenommen und schließlich als Karbonatgestein (z. B. Kalkstein) abgelagert wird, aber wir wissen nicht, ob dies ein stetiger Prozess ist oder ob er mit unseren ständigen Emissionen Schritt halten kann. Computermodelle, die das Klima der Erde nachbilden sollen, müssen viele Annäherungen vornehmen. Dennoch deuten die Berechnungen dieser nicht ganz perfekten Modelle darauf hin, dass eine Verdoppelung des Kohlendioxidgehalts einen Anstieg der durchschnittlichen Oberflächentemperaturen der nördlichen Hemisphäre um 4-6°C (39-43°F) bedeuten würde. Das mag nicht viel klingen, doch sollte man bedenken, dass während der letzten Eiszeit, als große Eisschilde einen Großteil der nördlichen Hemisphäre bedeckten, die Durchschnittstemperatur der Erde nur 5°C (41°F) unter dem heutigen Niveau lag.