Установлено, что температура поверхности Земли и атмосферы от года к году меняется неощутимо мало. Это означает, что происходит какой-то процесс, компенсирующий приток энергии от Солнца и регулирующий таким образом тепловой режим атмосферы и земной поверхности. Этим процессом является излучение подстилающей поверхности и атмосферы в космическое пространство.
Земля излучает коротковолновую и длинноволновую радиацию в космическое пространство. Если коротковолновая радиация лишь в малом количестве поглощается атмосферой, длинноволновое излучение Земли поглощается атмосферой намного интенсивнее, что ведет к нагреванию атмосферы. Однако нагревание атмосферы происходит главным образом за счет теплообмена с подстилающей поверхностью, т. е. с собственно поверхностью Земли. Нагреваясь, атмосфера также излучает. Особенно сильно излучают нижние слои атмосферы, в которых воздух содержит много водяного пара, являющегося основной излучающей и поглощающей составной частью воздуха.[136]
Большая часть атмосферной радиации (70 %) приходит к земной поверхности, ее называют встречным излучением. Земная поверхность поглощает встречное излучение атмосферы почти целиком (на 90–99 %), и оно является важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Встречное излучение возрастает с увеличением облачности. Наибольшее встречное излучение у экватора, где атмосфера наиболее нагрета и богата водяным паром. К полярным широтам оно убывает примерно вдвое.
Встречное излучение всегда меньше земного. Поэтому ночью при отсутствии солнечной радиации земная поверхность теряет тепло за счет разности между собственным и встречным излучением. Эту разность называют эффективное излучение. Разность между поглощенной радиацией и эффективным излучением называется радиационным балансом земной поверхности. Радиационный баланс переходит от отрицательных значений к положительным примерно через час после восхода Солнца и вновь к отрицательным значениям примерно за час до захода Солнца.
Большая часть солнечной энергии поглощается не атмосферой, а земной поверхностью. Вследствие молекулярной теплопроводности воздух, непосредственно соприкасающийся с подстилающей поверхностью, обменивается с ней теплом. Разнообразие рельефа местности создает неодинаковые условия нагревания. Распределение поверхностной температуры океана также весьма неоднородно и характеризуется многочисленными языками и вкраплениями теплой и холодной воды. Соприкасающийся с термически неоднородной поверхностью воздух оказывается нагретым неодинаково. В результате более теплые объемы, как менее плотные, начинаются подниматься вверх, а соседние, менее нагретые, опускаются вниз. Такое перемещение воздуха за счет различий плотности носит турбулентный характер и происходит тем интенсивнее, чем больше вертикальный градиент температуры.