Kasvuhooneefekt ja planeedi energiabilanss

Iga objekt, mis neelab energiat ega kuumene muidu lõputult, peab selle energia uuesti ära kiirgama, ja tähest soojendatud planeedi jaoks määrab see kiirguslik tasakaal tema temperatuuri. Atmosfäärita planeet neelab päikesevalgust, soojeneb ja kiirgab energia tagasi kosmosesse elektromagnetkiirgusena; kuna planeet on oma tähest palju külmem, on see väljuv kiirgus koondunud palju pikematele lainepikkustele — enamasti infrapunale, mitte nähtavale valgusele — järgides samu musta keha kiirguse põhimõtteid, mis kirjeldavad kiirgust igalt soojalt objektilt. Tasakaal saavutatakse, kui neelatud võimsus võrdub täpselt kiiratud võimsusega, ja see tasakaal üksi, ilma atmosfäärita, määrab "paljaspaneedi" tasakaalutemperatuuri, mida saab arvutada puhtalt planeedi kaugusest tähest ja sellest, kui palju päikesevalgust see peegeldab (tema albeedo).

Kasvuhoonegaase — süsinikdioksiid, veeaur, metaan, teiste hulgas — sisaldav atmosfäär muudab seda pilti lainepikkusest sõltuva efekti kaudu. Need gaasid on suuresti läbipaistvad sissetuleva nähtava päikesevalguse suhtes, seega ei blokeeri need märkimisväärselt päikesevalguse pinnani jõudmist ja selle soojendamist. Kuid need neelavad tugevalt pikema lainepikkusega infrapunakiirgust, mida soojenenud pind ise kiirgab, ja olles selle energia neelanud, kiirgavad nad selle uuesti kõikidesse suundadesse, sealhulgas tagasi allapoole pinna poole. See ei riku energia jäävust — planeet tervikuna kiirgab kosmosesse ikkagi täpselt sama palju võimsust, kui ta Päikeselt neelab, kui üldine tasakaal on saavutatud —, kuid atmosfääri kohalolek tähendab, et pind ise saab nüüd täiendavat allapoole suunatud kiirgust lisaks otsesele päikesevalgusele, seega on vajalik kõrgem pinnatemperatuur, enne kui süsteem tervikuna saavutab sama väljuva kiirgusliku tasakaalu. Atmosfäär ei toimi mitte nagu füüsiline tekk või barjäär, mis blokeerib väljuvat energiat täielikult; see toimib kui osaliselt neelav, osaliselt uuesti kiirgav kiht, mis nihutab, kus atmosfääris asub efektiivne kiirgav pind, tõstes pinnatemperatuuri, mis on vajalik planeedi üldise energiabilansi säilitamiseks.

See mehhanism selgitab, miks planeetidel paksude, kasvuhoonegaasirikaste atmosfääridega, nagu Veenus, on pinnatemperatuurid dramaatiliselt kõrgemad, kui nende paljaspaneedi tasakaaluväärtus ennustaks, samal ajal kui õhukese või puuduva atmosfääriga planeetidel, nagu Marss või Kuu, on pinnatemperatuurid palju lähemal nende paljaspaneedi ennustusele — ja see on sama aluseks olev füüsika, mida kasutatakse modelleerimaks, kuidas Maa atmosfääri kasvuhoonegaaside kontsentratsiooni muutused nihutavad planeedi enda tasakaalulist pinnatemperatuuri.