Aurinkoenergia ei ole ainoa ilmakehän lämpötilaa määräävä tekijä. Kuten edellä todettiin, maapallon pinta absorboituaan auringon säteilyä näkyvällä alueella lähettää infrapunasäteilyä takaisin avaruuteen. Useat ilmakehän kaasut absorboivat tämän lämpösäteilyn ja säteilevät sen takaisin kaikkiin suuntiin,Kuvaajaan on piirretty viivoja, jotka yhdistävät samassa lämpötilassa olevat pisteet (kuten kartan ääriviivat), ja ne on ilmoitettu asteina C. Kuva 2 koskee joulukuusta helmikuuhun kestävää ajanjaksoa, joka on pohjoisen pallonpuoliskon talvi ja eteläisen pallonpuoliskon kesä. Kuten arvata saattaa, lämpimin lämpötila on maanpinnalla lähellä päiväntasaajaa, ja se laskee, kun kuljetaan kohti jompaakumpaa napaa ja/tai kun korkeus kasvaa. Yllättäen alemman ilmakehän kylmin kohta on kuitenkin tropopaussissa päiväntasaajan yläpuolella, jossa on kylmempää kuin jopa napa-alueilla. Kuvitus: Hans & Cassidy. Lämpötilapiirros (kuva 3) kesäkuusta elokuuhun (eteläisen pallonpuoliskon talvi, pohjoisen kesä) osoittaa, että päiväntasaajan lämpötila ei juuri muutu vuodenaikojen mukaan. Keski- ja korkeilla leveysasteilla muutokset ovat olleet paljon suurempia, sillä lämpötilaviivat ovat siirtyneet pohjoiseen. Päiväntasaajan yläpuolella oleva tropopause on edelleen erittäin kylmä, ja sen ylittää vain Etelämantereen yläpuolella oleva stratosfääri. Kuvitus: Hans & Cassidy. Kohteliaisuus: Gale Group.
myös takaisin kohti pintaa. Nämä niin sanotut kasvihuonekaasut pidättävät siis infrapunasäteilyä ilmakehän sisällä ja nostavat sen lämpötilaa. Tärkeitä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry (H2O), hiilidioksidi (CO2) ja metaani (CH4). On arvioitu, että ilman kasvihuonekaasuja maapallon pintalämpötila olisi keskimäärin noin 32 °C (90 °F) viileämpi. Koska tämä lämpötila on selvästi veden jäätymispisteen alapuolella, on ilmeistä, että planeetta olisi ilman kasvihuoneilmiötä paljon vähemmän vieraanvarainen elämälle.
Kasvihuonekaasut ovat välttämättömiä elämän ylläpitämiseksi planeetalla, mutta enemmän ei välttämättä ole parempi. Teollisen vallankumouksen alettua 1800-luvun puolivälissä ihminen on vapauttanut ilmakehään yhä suurempia määriä hiilidioksidia polttamalla fossiilisia polttoaineita. Kaukaisesta ilmakehästä mitattu hiilidioksidipitoisuus on kasvanut jatkuvasti siitä lähtien, kun mittaukset aloitettiin vuonna 1958. Jos tämä kasvu näkyy ilmakehän lämpötilan samanlaisena nousuna, seuraukset olisivat todella kauheat: napajäätiköiden sulaminen ja merien paisuminen, jolloin rannikkokaupungit peittyvät valtamereen; radikaalit muutokset ilmastossa, jotka tuhoavat kasveja ja eläimiä, jotka eivät pysty sopeutumaan riittävän nopeasti; ja arvaamattomat muutokset tuuli- ja säämalleissa, jotka asettavat merkittäviä haasteita maataloudelle. Kasvihuonekaasujen lisääntymisen mahdollisesti aiheuttamien muutosten ennustamisessa on ongelmana se, että maapallon ilmasto on hyvin monimutkainen, toisiinsa kytkeytynyt järjestelmä. Ilmakehän, valtamerten, mantereiden ja jääpeitteiden vuorovaikutusta ei ymmärretä täysin. Vaikka tiedetäänkin, että osa hiilidioksidipäästöistä imeytyy valtameriin ja laskeutuu lopulta karbonaattikiveksi (kuten kalkkikiveksi), emme tiedä, onko tämä tasainen prosessi vai pysyykö se jatkuvien päästöjen tahdissa. Maapallon ilmastoa jäljittelevien tietokonemallien on tehtävä monia likiarvoja. Näiden vähemmän kuin täydellisten mallien laskelmien mukaan hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuminen merkitsisi kuitenkin pohjoisen pallonpuoliskon keskimääräisten pintalämpötilojen nousua 4-6 °C:lla (39-43 °F). Vaikka tämä ei ehkä kuulosta paljolta, huomaa, että viimeisimmän jääkauden aikana, jolloin suuret jääpeitteet peittivät suuren osan pohjoisesta pallonpuoliskosta, maapallon keskilämpötila oli vain 5 °C nykyistä alhaisempi.