De zonne-energie is niet de enige bepalende factor voor de atmosferische temperatuur. Zoals hierboven opgemerkt, zendt het aardoppervlak, na absorptie van zonnestraling in het zichtbare gebied, infrarode straling terug naar de ruimte. Verscheidene atmosferische gassen absorberen deze warmtestraling en stralen deze opnieuw uit in alle richtingen,Op de grafiek zijn lijnen getekend die punten van gelijke temperatuur verbinden (zoals hoogtelijnen op een kaart), uitgedrukt in graden C. Figuur 2 is voor december tot februari, wat winter is op het noordelijk halfrond en zomer op het zuidelijk halfrond. Zoals men zou verwachten, is de warmste temperatuur te vinden aan het oppervlak bij de evenaar, en daalt deze naarmate men in de richting van een van beide polen reist en/of naarmate men hoger komt. Verrassend is echter dat de koudste plek in de lagere atmosfeer zich bij de tropopauze boven de evenaar bevindt, die kouder is dan zelfs boven de poolstreken. Illustratie door Hans & Cassidy. De temperatuurgrafiek (figuur 3) voor juni tot en met augustus (winter zuidelijk halfrond, zomer noordelijk halfrond) laat zien dat de equatoriale temperatuur niet veel verandert met de seizoenen. De middelste en hoge breedtegraden hebben veel meer verandering ondergaan, omdat de temperatuurcontouren naar het noorden zijn verschoven. De tropopauze boven de evenaar is nog steeds extreem koud, alleen overtroffen door de stratosfeer boven Antarctica. Illustratie door Hans & Cassidy. Met dank aan Gale Group.
inclusief terug naar het oppervlak. Deze zogenaamde broeikasgassen houden dus infrarode straling vast in de atmosfeer, waardoor de temperatuur stijgt. Belangrijke broeikasgassen zijn waterdamp (H2O), kooldioxide (CO2) en methaan (CH4). Geschat wordt dat de temperatuur van het aardoppervlak gemiddeld ongeveer 32°C (90°F) koeler zou zijn als er geen broeikasgassen zouden zijn. Aangezien deze temperatuur ver onder het vriespunt van water ligt, is het duidelijk dat de planeet veel minder gastvrij zou zijn voor leven zonder het broeikaseffect.
Terwijl broeikasgassen essentieel zijn voor het leven op de planeet, is meer niet noodzakelijk beter. Sinds het begin van de industriële revolutie halverwege de negentiende eeuw heeft de mens door de verbranding van fossiele brandstoffen steeds grotere hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer gebracht. Het niveau van kooldioxide dat in de verre atmosfeer wordt gemeten, is sinds het begin van de metingen in 1958 voortdurend gestegen. Als deze stijging zich vertaalt in een vergelijkbare stijging van de temperatuur in de atmosfeer, zou dat rampzalige gevolgen hebben: smeltende poolijskappen en zwellende zeeën, waardoor kuststeden onder de oceaan zouden komen te liggen; radicale verschuivingen in het klimaat, waardoor planten en dieren die zich niet snel genoeg kunnen aanpassen, ten dode zijn opgeschreven; en onvoorspelbare veranderingen in wind- en weerpatronen, waardoor de landbouw voor grote uitdagingen zou komen te staan. Het probleem bij het voorspellen van de veranderingen die de toename van broeikasgassen met zich mee kan brengen, is dat het klimaat op aarde een zeer gecompliceerd, onderling verbonden systeem is. De wisselwerking tussen de atmosfeer, de oceanen, de continenten en de ijskappen wordt niet volledig begrepen. Hoewel bekend is dat een deel van de uitgestoten kooldioxide door de oceanen wordt geabsorbeerd en uiteindelijk als carbonaatgesteente (zoals kalksteen) wordt afgezet, weten we niet of dit een gestaag proces is en of het gelijke tred kan houden met onze voortdurende uitstoot. Computermodellen die zijn ontworpen om het klimaat van de aarde na te bootsen, moeten veel benaderingen maken. Niettemin blijkt uit berekeningen van deze minder-dan-perfecte modellen dat een verdubbeling van het kooldioxideniveau zou leiden tot een stijging van de gemiddelde oppervlaktetemperatuur op het noordelijk halfrond met 4-6°C. Dit klinkt misschien niet veel, maar tijdens de laatste ijstijd, toen grote ijskappen een groot deel van het noordelijk halfrond bedekten, lag de gemiddelde temperatuur op aarde slechts 5°C onder het huidige niveau.