Jak Ziemia otrzymuje ciepło od Słońca?

Słońce promieniuje energią we wszystkich kierunkach. Większość z nich rozprasza się w kosmosie, ale niewielka część energii słonecznej, która dociera do Ziemi, wystarcza do ogrzania planety i napędzania globalnego systemu pogodowego poprzez ocieplenie atmosfery i oceanów. Delikatna równowaga między ilością ciepła, które Ziemia otrzymuje od Słońca, a ciepłem, które Ziemia promieniuje z powrotem w kosmos, umożliwia planecie podtrzymywanie życia.

Promieniowanie słoneczne powstaje w wyniku reakcji syntezy jądrowej w jądrze Słońca, co powoduje, że emituje ono dużą ilość promieniowania elektromagnetycznego, głównie w postaci światła widzialnego. To promieniowanie to energia, która ogrzewa Ziemię. Powierzchnia Słońca emituje około 63 milionów watów energii na metr kwadratowy. Zanim energia dotrze do Ziemi, po przebyciu 150 milionów kilometrów lub 93 milionów mil, zmniejszyła się do 1370 watów na metr kwadratowy na szczycie atmosfery bezpośrednio zwróconej ku słońcu.

Promieniowanie elektromagnetyczne, w tym światło widzialne, promieniowanie podczerwone, światło ultrafioletowe i promieniowanie rentgenowskie, może przemieszczać się w próżni kosmicznej. Inne formy energii wymagają fizycznego nośnika do poruszania się. Na przykład energia dźwiękowa potrzebuje do transmisji powietrza lub innej substancji, a energia fal oceanów potrzebuje wody. Energia słoneczna może jednak przemieszczać się ze słońca na Ziemię bez potrzeby przesyłania energii przez substancję fizyczną. Ta cecha energii elektromagnetycznej umożliwia Ziemi odbieranie energii słonecznej, w tym ciepła.

Część energii słonecznej, która dociera do Ziemi, odbija się od atmosfery i chmur z powrotem w kosmos. Powierzchnia Ziemi odbiera około połowy napływającego promieniowania słonecznego. Energia słoneczna przybiera postać ciepła i światła widzialnego oraz promieni ultrafioletowych, czyli rodzaju energii, która powoduje oparzenia słoneczne. Energia jest pochłaniana przez materię, w tym powietrze, wodę, skały, budynki, chodniki i żywe organizmy, w wyniku czego materia jest podgrzewana. Ziemia nie nagrzewa się równomiernie, głównie dlatego, że niektóre obszary otrzymują więcej promieniowania słonecznego niż inne. Różnice w energii napędzają wiatry i prądy oceaniczne na całej planecie.

Gdyby Ziemia stale otrzymywała energię słoneczną bez żadnych środków do jej utraty, stale by się nagrzewała. Ziemia wypromieniowuje ciepło z powrotem w kosmos, zapobiegając przegrzaniu planety. Ilość wypromieniowanego ciepła jest wrażliwa na rodzaj gazów w atmosferze; niektóre gazy pochłaniają ciepło skuteczniej niż inne i zakłócają ponowne promieniowanie. Jednym z tych gazów jest dwutlenek węgla. Wraz ze wzrostem stężenia dwutlenku węgla w atmosferze zmienia się bilans cieplny Ziemi, przy czym pojawia się więcej energii przechowywane w atmosferze i mniej ciepła promieniującego z powrotem w kosmos, zjawisko znane jako szklarnia efekt.