üvegházhatás által kialakított felszínhőmérséklet Varga-Haszonits et al. szerint
A Föld egyensúlyi hőmérséklete jelenleg 15°C. Ha a Föld légköre csak nitrogénből és oxigénből állna, akkor a felszíni hőmérséklet -18°C lenne. Ezt a következőképpen határozhatjuk meg. Egy testnek a kisugárzási hőmérséklete az a fekete test hőmérséklet, amelyen a testnek a hőt ki kell sugározni ahhoz, hogy energiaegyensúly alakuljon ki. E mellett a hőmérséklet mellett a test az általa elnyelt energiának megfelelő mennyiségű energiát sugároz ki, vagyis
A napsugárzásból elnyelt energia kiszámítható a napállandó értéke (S0) és a planetáris albedó (α) segítségével.
A bolygóra érkező energiamennyiség egyenlő a napállandónak és a bolygónak a napsugárzás útjába eső felületének, az „árnyékfelületnek” a szorzatával. Az „árnyékfelület” a Föld átmérőjének megfelelő nagyságú kör területe (r2π) (4.2. ábra). Így a napsugárzásból elnyelt energia:
A test által egységnyi felületen (1 m2) kisugárzott energiamennyisége = σT4. A kisugárzás a Föld teljes felületén történik (4r2 π), mert a felmelegített felszín a megvilágított és a sötét területeken egyaránt sugároz, így a kisugárzott energia =
Ha a két energiamennyiséget egymással egyenlővé tesszük, s az egyenlet mindkét oldalát r2π-vel egyszerűsítjük, akkor a következőt kapjuk:
ahol S0 a napállandó (1370 W m-2), α a planetáris albedó (0,3), σ a Stefan-Boltzman állandó (5,67•10-8 W m-2 K-4).
A hőmérsékletet kifejezve az alábbi eredményre jutunk:
Amennyiben a Föld légkörét csak nitrogén és oxigén alkotná, amely nem képes visszatartani a Föld felszínéről történő infravörös kisugárzást, akkor változatlan albedót (sugárzás visszaverő képességet) feltételezve a Föld felszínhőmérséklete -18°C lenne. A légkör azonban alapgázokon kívül tartalmaz vízgőzt, szén-dioxidot és más üvegházhatású gázokat. Ezeken a napsugárzás csaknem akadálytalanul áthalad, azonban az infravörös tartományban már jelentősen elnyelnek, különösen a 10 μm körüli tartományban, ahol a Föld a legtöbb hőt sugározza. Az üvegházhatású gázok a hőt minden irányban kisugározzák, részben felfelé, részben oldalirányban, részben lefelé. Így az energia egy része visszatér a talajra és az alsó légkörbe és ez kiegészítő felmelegítést jelent. Emiatt a földfelszín középhőmérséklete +15°C, ami azt jelenti, hogy a Föld középhőmérséklete 33°C-kal melegebb, mintha a légkör csak tisztán nitrogénből és oxigénből állna.
Az üvegházhatás nélkül valószínűleg nem létezhetne a jelenlegi formában élet a Földön, vagyis a légköri üvegházhatású gázok hővisszatartó képessége bizonyos mértékig kedvező. Az üvegházhatás akkor válik kedvezőtlenné, mikor az üvegházi-gázok légköri koncentrációja fokozódik, amely felboríthatja a Föld-légkör rendszerben uralkodó törékeny egyensúlyt. A légkörben lévő üvegházhatású gázok mennyiségének bármilyen irányú változása módosítja a Föld-légkör rendszer energiamérlegét, és így elvben törvényszerűen éghajlatváltozáshoz vezet (Haszpra 2004). Az üvegházhatás mechanizmusát a 4.3. ábra szemlélteti.
Az üvegházhatást kiváltó gázok mennyisége a légkörben az utóbbi 200-250 évben jelentősen megváltozott, és olyan gázok is megjelentek, melyek addig nem voltak jelen a légkörben. Ezen változások nagy valószínűséggel az intenzív emberi ipari tevékenységhez köthetők, ugyanis az ipari forradalom óta az üvegházhatású gázok koncentrációja megnőtt a légkörben (4.1. táblázat).
TÍMEA)
Fő bűnösként az üvegházhatás fokozódásáért a CO2 vonult be a köztudatba. Ezt a gázt említik a leggyakrabban, ha az üvegházhatásról esik szó. Pedig az üvegházhatás 62%-áért valójában a légkörben található gázhalmazállapotú víz a felelős. A vízgőz egyedül nem lenne képes ezt a hatást kifejteni, csak a többi üvegházhatású gázzal együtt van melegítő hatása. A CO2 a melegítő hatás 22%-áért felelős „csak”. A CO2 túlnyomó részt (~97%) a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származik, mennyisége az ipari forradalom óta növekedett meg korábban nem tapasztalható mértékben. A 4.1. táblázatban látható üvegház-gázok melegítő hatása többszöröse a CO2-énak, ezeket mégis ritkábban emlegetik az üvegházhatás kapcsán. Az intenzív mezőgazdasági tevékenység hozzájárult az üvegház-gázok közül a CH4 koncentrációjának gyors ütemű fokozódásához (kérődző haszonállatok emésztőrendszeri fermentációja, rizstermesztés, szerves anyagok anareob bomlása). A N2O egyik fő forrása a műtrágyagyártás és -használat, legfontosabb természetes forrása pedig a denitrifikáció. A halogénezett szénhidrogének az ipari forradalom óta jelentek meg a légkörben. Jól ismert képviselőik a Föld ózon pajzsát romboló freonok és halonok. Természetesen a felsoroltakon kívül még számos olyan gáz létezik, amelynek szerepe van az üvegházhatás kialakításában, illetve annak fokozásában. Itt csak a legfontosabbak kerültek felsorolásra.
Az IPCC (Éghajlatváltozási Kormányközi Testület, alapítva 1988-ban az ENSZ Környezeti programja és a Meteorológiai Világszervezet égisze alatt) 2007-ben jelentette meg Negyedik Helyzetértékelő Jelentését, amelyben a kutatók megállapították, hogy 2005.-ben a globális CO2 koncentráció 379 ppm volt, a CH4 koncentrációja a légkörben 1774 ppb-re nőtt, a dinitrogén-oxid koncentrációja pedig 319 ppb-re emelkedett. Az éves fosszilis CO2 kibocsátás az 1990-es években átlagosan 6,4 GtC volt, ez a 2000-2005-ös időszakra 7,2 GtC mennyiségre nőtt évente.
Az üvegházhatású gázok okozta felmelegedést az emberi tevékenység miatt a levegőbe kerülő légköri aeroszol részecskék (a légkörben lévő szilárd és cseppfolyós halmazállapotú alkotók) is befolyásolják. Az aeroszolok közvetlen hatása a napsugárzás gyengítéséből következik. Tekintve, hogy a fényt szóró anyagok mennyisége (pl. ammónimum-szulfát, szerves anyagok) az optikailag aktív nagyságtartományban jóval meghaladja a fényt elnyelő anyagok (pl. elemi szén) koncentrációját, a közvetlen hatás főként a fény szórásában jelentkezik.
A felhők képződésének fizikai folyamata a kondenzáció, amely során a telített levegőből a vízgőz kiválik, lecsapódik. Az aeroszolok ezt a folyamatot segítik, mint kondenzációs magvak. Minél több kondenzációs magon csapódik ki azonos mennyiségű vízgőz, annál több, illetve kisebb nagyságú felhőcsepp keletkezik. A kis cseppekből álló felhőknek viszont jelentősebb az albedója, mint a kevesebb, nagyobb cseppekből álló felhőké.
Ráadásul a kisebb cseppekből álló felhők nehezebben adnak csapadékot, mint a nagyobb cseppeket tartalmazó felhők, azaz a kondenzációs magvak számának növekedése a felhők élettartamának emelkedésével jár. Ez a közvetett hatás igen lényeges, hiszen az emberi tevékenység jelentősen hozzájárul a légköri aeroszol részecskék, következésképpen a kondenzációs magvak mennyiségéhez. Tehát az aeroszolok is az üvegházhatás fokozódása ellen hatnak.