De atmosfeer wordt verwarmd door verschillende complexe processen, maar de bron van bijna alle atmosferische verwarming is de zon. Lokaal kan lucht worden verwarmd door processen die niet direct afhankelijk zijn van de zon, zoals vulkaanuitbarstingen, blikseminslagen, bos branden of menselijke activiteit, zoals energieopwekking en zware industrie, maar deze warmtebronnen zijn onbeduidend in vergelijking met zonne-energie straling.
De zon
De zon straalt energie in alle richtingen uit in de vorm van warmte, licht en straling. Deze energie is in staat om objecten over ongelooflijke afstanden te verwarmen. Zonnewarmte treedt op wanneer zonnestraling een molecuul van een materiaal raakt en wordt geabsorbeerd. Zonnestraling treft reflecterende materialen en weerkaatst deze weg zonder veel warmte te absorberen. Transparante materialen laten zonnestraling door zonder dat er warmte wordt uitgewisseld.
De atmosfeer
De atmosfeer van de aarde is reflecterend of transparant, afhankelijk van de golflengte van de straling die het tegenkomt. Hierdoor ontvangt de atmosfeer weinig directe warmte van zonnestraling. Zonne-energie wordt ofwel teruggekaatst in de ruimte of wordt doorgelaten zonder dat de energie ervan wordt geabsorbeerd. Meer energie wordt weerkaatst door wolken en chemische verbindingen, zoals ozon. Slechts ongeveer 54 procent van de energie van de zon gaat door de atmosfeer om het oppervlak te bereiken.
De aarde
Zodra zonnestraling het aardoppervlak bereikt, absorberen de grond en watermassa's bijna alles. Slechts ongeveer 4 procent wordt teruggereflecteerd in de ruimte. Door zonne-energie op te nemen, warmen deze oppervlakken op. Warme objecten beginnen langgolvige infraroodstraling uit te stralen. Zonder de atmosfeer zou deze energie de ruimte in stralen.
Het broeikas effect
Door de chemische samenstelling van de aardatmosfeer bereikt de meeste infrarode straling die door het warme oppervlak wordt uitgezonden nooit de ruimte. In plaats daarvan wordt de straling gereflecteerd of geabsorbeerd door verbindingen die bekend staan als broeikasgassen. Wanneer deze verbindingen de infrarode straling van het oppervlak absorberen, warmt de atmosfeer op. De energie die naar de aarde wordt teruggekaatst, verwarmt het oppervlak verder, waardoor de aarde meer infraroodstraling uitstraalt. Hierdoor ontstaat een kringloop die de atmosfeer en het oppervlak warm houdt.