Die Erde bezieht ihre Energie nahezu ausschließlich von der Sonne. Diese gibt mit ihrer Oberflächentemperatur von rund 5500 Grad Celsius hunderttausendmal mehr Energie ab als die Erde, deren Durchschnittstemperatur ungefähr 15 Grad Celsius beträgt. Die Sonnenenergie trifft als extraterrestrische Strahlung auf die Erdatmosphäre. Unter dieser Strahlung versteht man dabei die Energieübertragung in Form von elektromagnetischen Wellen. Um die Strahlungsbilanz der Erde zu verstehen, muss man sich drei physikalische Gesetzmäßigkeiten bewusst machen: Erstens gibt jeder Körper, egal ob fest, flüssig oder gasförmig, elektromagnetische Strahlung entsprechend seiner Oberflächentemperatur ab. Das gilt für den glühenden Stern Sonne ebenso wie für die Erde. Unser Heimatplanet ist 288 Kelvin warm (entspricht 14,58 Grad Celsius) und strahlt deshalb auch ganz ohne Hilfe der Sonne.
Zweitens hängen die Wellenlängen der abgegebenen Strahlung von der Temperatur des Körpers ab. Je heißer dieser ist, desto kurzwelliger ist die von ihm abgegebene Strahlung. Der Glühfaden in einer Glühlampe beispielsweise wird so heiß, dass er weiß glüht und dabei vor allem weißes Licht – also sichtbare Strahlung – abgibt. Schaltet man dann das Licht aus, kühlt der Faden ab und glimmt nur noch für einen kurzen Moment leicht rötlich. Das bedeutet, sein Strahlungsmaximum verschiebt sich vom kurzwelligen in den langwelligen Bereich. Anfassen sollte man die Glühbirne zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht, denn selbst wenn der Metallfaden nicht mehr glimmt und damit keine sichtbare Strahlung mehr abgibt, emittiert er noch unsichtbare Wärmestrahlung im Infrarotbereich. Man kann sich also noch immer die Finger verbrennen. Unsere Erde als ziemlich kühler Körper gibt ausschließlich langwellige Wärmestrahlen im Infrarotbereich ab.
Drittens kann die von einem Körper abgegebene Strahlung von anderen Körpern zurückgeworfen oder aber aufgenommen werden. Das gilt auch für die Erde und die Sonne. Die am äußeren Rand der Erdatmosphäre eintreffende Sonnenstrahlung beträgt im globalen Mittel 340 Watt pro Quadratmeter. Etwa sieben Prozent der eintreffenden Strahlung ist UV-Strahlung, 46 Prozent der Strahlung liegen im Bereich des sichtbaren Lichtes und die restlichen 47 Prozent im infraroten Spektrum.
Etwa 30 Prozent der eintreffenden Strahlung von 340 Watt pro Quadratmeter werden von der Atmosphäre und der Erdoberfläche direkt in den Weltraum zurückgestrahlt. Diesen Anteil in Höhe von 100 Watt pro Quadratmeter nennt man auch planetare Albedo. Nur 240 Watt pro Quadratmeter verbleiben im Klimasystem und stehen für die Erwärmung der Erde zur Verfügung. Etwa ein Drittel davon (79 Watt pro Quadratmeter) absorbieren die Wolken, der Wasserdampf, die Staubpartikel und das Ozon in der Atmosphäre. Das heißt, dieser Anteil erwärmt die Atmosphäre über uns. Dabei filtern vor allem Gase in ganz bestimmten Wellenbereichen. Ozon beispielsweise absorbiert nahezu vollständig die einfallende ultraviolette Strahlung und ist damit ein wirksamer UV-Schutzfilter.
Wichtig an dieser Stelle ist, dass die in der Atmosphäre enthaltenen Luftmoleküle, Wassertröpfchen, Staubpartikel und Eiskristalle die einfallende Strahlung in alle Richtungen zurückwerfen. Die nach oben abgelenkten Anteile gehen in das Weltall zurück, die nach unten abgelenkten Strahlen erreichen die Erde als diffuse Himmelsstrahlung. An der Erdoberfläche kommen somit zwei Formen der Einstrahlung an – die direkte Sonnenstrahlung, welche die Erdoberfläche nur bei wolkenfreiem Himmel erreicht, und die diffuse Himmelsstrahlung.
Fast 60 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung (185 Watt pro Quadratmeter) erreichen tatsächlich die Erdoberfläche. Davon werden circa 13 Prozent (24 Watt pro Quadratmeter) direkt ins All zurückreflektiert. Sie sind Teil der planetaren Albedo. Die restlichen 161 Watt pro Quadratmeter werden von der Erdoberfläche absorbiert und erwärmen sie.
Die Erdoberfläche gibt ihre Wärme auf dreierlei Weise ab: erstens in Form von Verdunstung – latente Wärme genannt (84 Watt pro Quadratmeter) –, zweitens durch warme aufsteigende Luftmassen – sensible Wärme genannt (20 Watt pro Quadratmeter) – sowie drittens durch das Abstrahlen langwelliger Wärmestrahlen (398 Watt pro Quadratmeter). Allerdings schafft es nur ein sehr kleiner Teil der Wärmestrahlung, auf direktem Weg im Weltall zu verschwinden. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre stößt sie nämlich auf die gleichen Hindernisse wie zuvor die einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung. Diesmal sind es jedoch vor allem die Moleküle der sogenannten Spuren- oder Treibhausgase, welche die langwellige Strahlung absorbieren und anschließend als Wärmestrahlung in alle Richtungen wieder abgeben. Sie halten somit einen Teil der Wärme in der unteren Atmosphäre fest und erzeugen eine sogenannte Gegenstrahlung (342 Watt pro Quadratmeter). Das heißt, die Erde bekommt einen großen Teil ihrer Abstrahlung wieder zurück.
Diese Tatsache wird oft auch als Treibhauseffekt bezeichnet. Gleichzeitig strahlt die Atmosphäre Wärme in das Weltall ab. Vergleicht man die solare Einstrahlung und die gesamte langwellige Ausstrahlung am äußeren Rand der Atmosphäre miteinander, wird deutlich, dass die Erde ein kleines bisschen mehr Energie aufnimmt, als sie abgibt. Eine Tatsache, die von entscheidender Bedeutung ist, wie an späterer Stelle noch erläutert wird.
Abb. S. 65 © nach IPCC, 2013