A légkör hőmérsékletét nem csak a napenergia határozza meg. Mint fentebb említettük, a Föld felszíne, miután elnyelte a napsugárzást a látható tartományban, infravörös sugárzást bocsát ki vissza az űrbe. Számos légköri gáz elnyeli ezt a hősugárzást, és minden irányba visszasugározza,A diagramon az azonos hőmérsékletű pontokat összekötő vonalak (mint a térképen a kontúrvonalak) C fokban vannak megadva. A 2. ábra decembertől februárig tart, ami az északi féltekén tél, a déli féltekén pedig nyár. Amint az várható volt, a legmelegebb hőmérséklet a felszínen, az Egyenlítő közelében található, és csökken, ahogy haladunk a két pólus felé és/vagy ahogy nő a tengerszint feletti magasság. Meglepő módon azonban az alsó légkör leghidegebb pontja a tropopauzánál van az Egyenlítő felett, amely még a sarkvidékeknél is hidegebb. Illusztráció: Hans & Cassidy. A Gale Group jóvoltából. 3. ábra A júniustól augusztusig (déli félteke tél, északi nyár) tartó hőmérsékleti diagram (3. ábra) azt mutatja, hogy az egyenlítői hőmérséklet nem sokat változik az évszakokkal. A középső és magas szélességeken sokkal nagyobb változás tapasztalható, mivel a hőmérsékleti kontúrok észak felé tolódtak el. Az Egyenlítő feletti tropopauza még mindig rendkívül hideg, ezt csak az Antarktisz feletti sztratoszféra múlja felül. Illusztráció: Hans & Cassidy. A Gale Group jóvoltából.
a felszín felé is. Ezek az úgynevezett üvegházhatású gázok így az infravörös sugárzást a légkörben tartják vissza, megemelve annak hőmérsékletét. A fontos üvegházhatású gázok közé tartozik a vízgőz (H2O), a szén-dioxid (CO2) és a metán (CH4). Becslések szerint a Föld felszíni hőmérséklete az üvegházhatású gázok nélkül átlagosan körülbelül 32°C-kal (90°F) lenne hűvösebb. Mivel ez a hőmérséklet jóval a víz fagyáspontja alatt van, nyilvánvaló, hogy a bolygó az üvegházhatás hiányában sokkal kevésbé lenne barátságos az élet számára.
Míg az üvegházhatású gázok nélkülözhetetlenek a bolygón lévő élet fenntartásához, a több nem feltétlenül jobb. Az ipari forradalom kezdete, a XIX. század közepe óta az ember a fosszilis tüzelőanyagok elégetésével egyre nagyobb mennyiségű szén-dioxidot juttatott a légkörbe. A távoli légkörben mért szén-dioxid szintje a feljegyzések 1958-as kezdete óta folyamatosan emelkedik. Ha ez a növekedés a légköri hőmérséklet hasonló mértékű emelkedésében nyilvánul meg, az eredmények valóban szörnyűek lennének: a sarki jégsapkák olvadása és a tengerek megduzzadása, ami azt eredményezné, hogy a tengerparti városokat elborítaná az óceán; az éghajlat radikális megváltozása, ami a nem elég gyorsan alkalmazkodni képes növények és állatok halálát okozná; valamint a szél- és időjárási minták kiszámíthatatlan változásai, ami jelentős kihívások elé állítaná a mezőgazdaságot. Az üvegházhatású gázok növekedése által előidézett változások előrejelzésével az a probléma, hogy a Föld éghajlata egy nagyon bonyolult, egymással összefüggő rendszer. A légkör, az óceánok, a kontinensek és a jégsapkák kölcsönhatása nem teljesen ismert. Bár tudjuk, hogy a kibocsátott szén-dioxid egy részét az óceánok elnyelik, és végül karbonátos kőzetként (például mészkő) rakódik le, nem tudjuk, hogy ez egy állandó folyamat-e, vagy hogy lépést tud-e tartani a folyamatos kibocsátásunkkal. A földi éghajlat utánzására tervezett számítógépes modelleknek számos közelítést kell tenniük. Mindazonáltal e kevésbé tökéletes modellek számításai azt mutatják, hogy a szén-dioxid szintjének megduplázódása az északi félteke felszíni átlaghőmérsékletének 39-43°F (4-6°C) emelkedését jelentené. Bár ez nem hangzik soknak, vegyük figyelembe, hogy az utolsó jégkorszak alatt, amikor az északi félteke nagy részét nagy jégtakarók borították, a Föld átlaghőmérséklete csak 5°C-kal volt alacsonyabb a jelenlegi szintnél.