Atmosferą kaitina keli sudėtingi procesai, tačiau beveik viso atmosferos kaitinimo šaltinis yra saulė. Vietoje oras gali būti kaitinamas procesais, kurie nėra tiesiogiai priklausomi nuo saulės, pavyzdžiui, ugnikalnių išsiveržimai, žaibo smūgiai, miškas gaisrai ar žmogaus veikla, pavyzdžiui, elektros energijos gamyba ir sunkioji pramonė, tačiau šie šilumos šaltiniai yra nereikšmingi, palyginti su saulės energija radiacija.
Saulė
Saulė spinduliuoja energiją į visas puses šilumos, šviesos ir radiacijos pavidalu. Ši energija gali kaitinti objektus neįtikėtinais atstumais. Saulės šildymas įvyksta, kai saulės spinduliuotė patenka į tam tikros medžiagos molekulę ir absorbuojama. Saulės spinduliuotė smogia atspindinčioms medžiagoms ir atspindi ją, nesugerdama daug šilumos. Skaidrios medžiagos leidžia saulės spinduliuotei praeiti be šilumos mainų.
Atmosfera
Žemės atmosfera yra arba atspindinti, arba skaidri, atsižvelgiant į radiacijos, su kuria ji susiduria, bangos ilgį. Todėl atmosfera gauna mažai tiesioginės šilumos iš saulės spinduliuotės. Saulės energija arba atsispindi atgal į kosmosą, arba jai leidžiama praeiti, jos energijai neįsisavinant. Daugiau energijos atspindi debesys ir cheminiai junginiai, pavyzdžiui, ozonas. Tik apie 54 procentai saulės energijos praeina per atmosferą, kad pasiektų paviršių.
Žemė
Saulės spinduliuotei pasiekus žemės paviršių, žemė ir vandens telkiniai sugeria beveik visą ją. Tik apie 4 procentai atsispindi atgal į kosmosą. Sugerdami saulės energiją, šie paviršiai įkaista. Šilti objektai pradeda spinduliuoti ilgųjų bangų infraraudonąją spinduliuotę. Be atmosferos ši energija išsiskleistų į kosmosą.
Šiltnamio efektas
Dėl cheminės žemės atmosferos sudėties dauguma šilto paviršiaus skleidžiamos infraraudonosios spinduliuotės niekada nepasiekia kosmoso. Vietoj to radiaciją atspindi arba sugeria junginiai, vadinami šiltnamio dujomis. Kai šie junginiai sugeria iš paviršiaus infraraudonąją spinduliuotę, atmosfera įkaista. Energija, atspindėta atgal į žemę, dar labiau sušildo paviršių, todėl žemė skleidžia daugiau infraraudonųjų spindulių. Tai sukuria ciklą, kuris palaiko atmosferą ir paviršių.