Głównym źródłem energii napędzającym procesy kształtujące pogodę i klimat na Ziemi jest promieniowanie słoneczne. Długość fali tego promieniowania jest mniejsza niż 4 μm, nazywamy go promieniowaniem krótkofalowym. Największe natężenie promieniowania słonecznego przypada na długość fali równą około 0,4 μm, co odpowiada tzw. promieniowaniu widzialnemu.
Natężenie promieniowania słonecznego określamy w watach (dżulosekundach) przypadających na powierzchnię 1 m2 (W/m2). Mówi nam ono o ilości energii (w dżulach), jaką jednostka powierzchni (metr kwadratowy) otrzymuje w jednostce czasie (w ciągu sekundy).
Promieniowanie słoneczne dociera do powierzchni bezpośrednio (promieniowanie bezpośrednie) lub jako promieniowanie rozproszone w atmosferze przez cząsteczki gazów, kropelki i kryształki wody oraz pyły. Rozproszone promieniowanie słoneczne ma szczególne znaczenie w dostarczaniu światła i ogrzewaniu podłoża w dni pochmurne, czy np. w dnie lasu, a więc w sytuacjach, w których promieniowanie bezpośrednie do powierzchni w ogóle nie dociera. Rozproszenie światła słonecznego w atmosferze odpowiada też za błękitną barwę nieba. Suma tych dwóch postaci promieniowania słonecznego to promieniowanie całkowite.
Część promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi odbija się od chmur i od powierzchni Ziemi i powraca w przestrzeń kosmiczną. Reszta ogrzewa powierzchnię Ziemi, która sama staje się źródłem promieniowania. Długość fali promieniowania ziemskiego jest większa niż 4 μm, z maksimum natężenia promieniowania wynoszącym około 9,8 μm. Dla wyrażenia różnicy pomiędzy promieniowaniem słonecznym i ziemskim to drugie określamy jako promieniowanie długofalowe. Jego zakres przypada na niewidzialne ludzkim okiem promieniowanie podczerwone.
 |
| Uproszczony bilans energetyczny Ziemi (na podstawie pracy Kiehl i Trenberth (1997) autor: Adam Rędzikowski (styczeń 2008), źródło: wikipedia.org |
Nie całe promieniowanie długofalowe Ziemi ucieka w przestrzeń kosmiczną. Duża jego część jest pochłaniana w atmosferze, zwłaszcza przez wodę w postaci pary wodnej i wodę zgromadzoną w chmurach. Następnie atmosfera staje się źródłem promieniowania, emitując jego część w kierunku powierzchni Ziemi (promieniowanie zwrotne atmosfery) i przyczyniając się do jej dodatkowego ogrzania. Promieniowanie zwrotne atmosfery przyczynia się do powstania efektu szklarniowego na Ziemi. Tłumaczy też ono, dlaczego pochmurne noce są zwykle cieplejsze niż noce pogodne.
W dłuższych okresach czasu (rok i dłużej) ilość promieniowania słonecznego pochłoniętego przez powierzchnię Ziemi oraz ilość promieniowania Ziemi uciekającego w przestrzeń kosmiczną są sobie równe (bilansują się). Zestawienie dla powierzchni Ziemi wszystkich zysków i strat energii promienistej nazywamy więc bilansem promieniowania.
Promieniowanie nie jest jedynym sposobem przekazywania energii przez powierzchnię ziemi w kierunku atmosfery. Poza wypromieniowaniem podłoże ochładza się przez przewodnictwo (słabo, bo powietrze jest słabym przewodnikiem cieplnym) oraz przez stymulowanie turbulencji (chaotycznych ruchów powietrza) i ruchów konwekcyjnych (pionowych). Ruchy te przekazują ogrzane od powierzchni ziemi cząsteczki powietrza w górę (w głąb) atmosfery. Energia słoneczna może też być wykorzystana np. do wyparowania porcji wody. Powstała para wodny jest nośnikiem ciepła (ciepło utajone). Jeśli pionowe ruchy powietrza (konwekcja) wyniosą ją odpowiednio wysoko, może dojść do jej skroplenia, któremu procesowi towarzyszy uwolnieni ciepła (utajonego). Uwalnianie dużych ilości energii w ten sposób obserwujemy np. nad oceanami w szerokościach międzyzwrotnikowych, co może prowadzić do powstawania cyklonów tropikalnych.