Турбулентность, вызываемая температурными условиями, называется термической турбулентностью или конвекцией.
Динамическая турбулентность, обусловленная различными скоростями ветра в смежных слоях воздуха, и термическая турбулентность приводят к сильному перемешиванию воздуха, особенно в вертикальном направлении, а следовательно, к передаче тепла. Турбулентная теплопроводность в тысячи, в десятки тысяч раз больше молекулярной.
При больших значениях вертикального изменения температуры (около 1 градуса на 100 м и более) в атмосфере возникают мощные восходящие движения воздуха в виде потоков или струй со скоростью от нескольких метров в секунду до 20 и более метров в секунду. Одновременно происходят и нисходящие движения воздуха, менее интенсивные, но захватывающие большие площади. Такая термическая турбулентность называется упорядоченной конвекцией. Над сушей упорядоченная конвекция наблюдается в дневные часы при интенсивном прогреве подстилающей поверхности. Над морем конвективные условия являются преобладающими, так как обычно поверхность воды теплее воздуха.
Большое влияние на термический режим атмосферы оказывают фазовые превращения воды (конденсация водяного пара, испарение капель и кристаллов воды и пр.), а также адвекция – перенос воздуха воздушными течениями большого масштаба по горизонтали.
Тепловой баланс для системы Земля – атмосфера рассчитывается в средних значениях за большие промежутки времени по всей поверхности планеты. В соответствии с законом сохранения энергии он должен быть равен нулю.
Из 100 % солнечной радиации, поступающей в атмосферу, 70 приходится на прямую радиацию, из которых 23 отражается от облаков, 20 поглощается воздухом, 27 падает на земную поверхность, причем поглощается ею 25 и отражается от нее 2 %. На рассеянную радиацию приходится 30 %, из которых 8 уходит в мировое пространство и 22 доходит до земной поверхности (20 % поглощается и 2 % уходит в мировое пространство). Таким образом, с верхней границы атмосферы в мировое пространство уходит 23+8+4=35 % радиации. Эту величину – 35 % – называют альбедо Земли.
Атмосфера излучает 157 % энергии, из которых 102 направлены к земной поверхности, а 55 % уходит в мировое пространство.
Земная поверхность путем собственного длинноволнового излучения теряет 117 %, из которых 10 уходит в мировое пространство, а 107 % поглощается атмосферой. Кроме того, 23 % тепла расходуется на испарение воды и 7 % теряется при теплообмене с атмосферой. Иначе говоря, как на верхней границе атмосферы, так и в самой атмосфере и на земной поверхности существует равенство притока и отдачи тепла.