Solenergin är inte den enda faktorn som bestämmer atmosfärens temperatur. Som nämnts ovan avger jordens yta, efter att ha absorberat solstrålning i det synliga området, infraröd strålning tillbaka till rymden. Flera atmosfäriska gaser absorberar denna värmestrålning och återstrålar den i alla riktningar,Linjer ritas in i diagrammet som förbinder punkter med samma temperatur (som konturlinjer på en karta), angivna i grader C. Figur 2 gäller för december-februari, vilket är vinter på det norra halvklotet och sommar på det södra. Som man kan förvänta sig finns den varmaste temperaturen vid ytan nära ekvatorn, och temperaturen sjunker när man rör sig mot någon av polerna och/eller när man ökar i höjd. Överraskande nog är dock den kallaste platsen i den lägre atmosfären vid tropopausen över ekvatorn, som är kallare än till och med över polartrakterna. Illustration av Hans & Cassidy. Med tillstånd av Gale Group.Temperaturdiagrammet (figur 3) för juni till augusti (vinter på södra halvklotet, sommar på norra halvklotet) visar att temperaturen vid ekvatorn inte förändras särskilt mycket med årstiderna. De mellersta och höga latituderna har genomgått mycket större förändringar, eftersom temperaturkonturerna har förskjutits norrut. Tropopausen över ekvatorn är fortfarande extremt kall, överträffad endast av stratosfären över Antarktis. Illustration av Hans & Cassidy. Med tillstånd av Gale Group.
inklusive tillbaka mot ytan. Dessa så kallade växthusgaser fångar alltså in infraröd strålning i atmosfären, vilket höjer dess temperatur. Viktiga växthusgaser är vattenånga (H2O), koldioxid (CO2) och metan (CH4). Man uppskattar att jordens yttemperatur i genomsnitt skulle vara cirka 32 °C kallare om det inte fanns några växthusgaser. Eftersom denna temperatur ligger långt under vattnets fryspunkt är det uppenbart att planeten skulle vara mycket mindre gästvänlig för liv utan växthuseffekten.
Vidare växthusgaser är viktiga för att upprätthålla livet på planeten, men mer är inte nödvändigtvis bättre. Sedan början av den industriella revolutionen i mitten av 1800-talet har människan släppt ut allt större mängder koldioxid i atmosfären genom förbränning av fossila bränslen. Den nivå av koldioxid som uppmätts i den avlägsna atmosfären har visat en kontinuerlig ökning sedan man började registrera den 1958. Om denna ökning leder till en liknande ökning av temperaturen i atmosfären skulle resultaten bli mycket allvarliga: smältande polarisar och svällande hav, vilket leder till att kuststäderna täcks av havet, radikala förändringar i klimatet som gör att växter och djur som inte kan anpassa sig tillräckligt snabbt går under, och oförutsägbara förändringar i vind- och vädermönster, vilket innebär stora utmaningar för jordbruket. Problemet med att förutse de förändringar som ökade växthusgaser kan medföra är att jordens klimat är ett mycket komplicerat och sammankopplat system. Samspelet mellan atmosfären, haven, kontinenterna och isarna är inte helt klarlagt. Även om det är känt att en del av den koldioxid som släpps ut absorberas av haven och så småningom deponeras som karbonatsten (t.ex. kalksten), vet vi inte om detta är en jämn process eller om den kan hålla jämna steg med våra ständiga utsläpp. Datormodeller som utformats för att efterlikna jordens klimat måste göra många approximationer. Beräkningar av dessa mindre än perfekta modeller tyder dock på att en fördubbling av koldioxidhalten skulle innebära en ökning av den genomsnittliga yttemperaturen på norra halvklotet med 4-6 °C (39-43 °F). Detta kanske inte låter så mycket, men observera att under den senaste istiden, då stora istäcken täckte stora delar av norra halvklotet, var jordens medeltemperatur endast 5 °C lägre än de nuvarande nivåerna.