Die Erde ist der Strahlung der Sonne nicht unmittelbar im luftleeren Raum ausgesetzt, sondern ist von der Atmosphäre umhüllt. Die in den verschiedenen Breiten der Erde unterschiedlich stark eintreffende Sonnenstrahlung wird daher zusätzlich von Erdatmosphäre in ihrer Intensität durch drei Prozesse verändert:

• Reflexion
• Streuung an Molekülen und Aerosolen
• Absorption von Licht an Luftmolekülen, Aerosolen und an der Erdoberfläche.

Von 100 % Sonnenenergie, welche die Erde erreichen, werden ca. 55 % wieder ins Welktall abgegeben. Die anderen 45 % werden vom Land und den Ozeanen absorbiert. 20 % davon nehmen dann die Atmosphäre und die Wolken auf. 20 % werden von den Wolken wieder in den Weltraum zurück abgestrahlt. Weitere 5 % werden von der Atmosphäre und 5 % von der Erdoberfläche in den Weltraum abgestrahlt.

Reflexion (Albedo)

Die Reflexion des Lichts erfolgt an festen und flüssigen Bestandteilen der Luft, aber auch an der Erdoberfläche. Das Licht wird dabei nicht verändert oder abgeschwächt, sondern in seiner Richtung abgelenkt. Von wesentlicher Bedeutung für den Wärmehaushalt der Erde ist die sog. "Albedo" (von lat.: albus = weiß). Sie beschreibt den prozentualen Anteil an diffus reflektierter Strahlung beim Auftreffen auf nicht selbst leuchtende und nicht spiegelnde Flächen und ist damit ein Maß für das Rückstrahlvermögen von Oberflächen, angegeben als dimensionslose Zahl. Die Albedo ist abhängig von der Art und der Beschaffenheit der angestrahlten Fläche sowie vom Spektralbereich der eintreffenden Strahlung. Die Albedo einer Oberfläche unterscheidet sich für kurz- und langwellige Strahlung drastisch. Ein vollständig schwarzer Körper absorbiert unabhängig vom Spektralbereich die eingehende Strahlung zu 100% und hat folglich eine Albedo von 0. Grundsätzlich ergänzen sich Absorption und Reflexion zu 100%. Eine Oberfläche mit einer Albedo von z.B. 0,3 reflektiert also 30% der einfallenden Strahlung und absorbiert 70%. Je heller die Oberfläche, desto größer ist ihre Albedo.

Die höchsten Albedo-Werte werden bei (Neu-) Schnee mit bis zu 0,95 erreicht. Trockener heller Sand strahlt bis zu 45% der kurzwelligen Sonnenstrahlung zurück. Auf der anderen Seite werden aber folglich bis zu 55% der einfallenden Sonnenstrahlung absorbiert, weshalb sich der Sand so stark aufheizen kann, daß man am Strand u.U. das Gefühl hat sich die Füße zu verbrennen. Der etwas dunklere Sand der Wüsten liegt nur geringfügig unter diesen Albedowerten. Bei Grasflächen oder Waldgebieten werden immer noch bis zu 20% der einfallenden Strahlung reflektiert. Die geringste Reflektion und somit die größten Absorptionswerte weisen Wasser (< 0,1) und durch das vorherrschende "dunkle" Mauerwerk und Straßen auch Städte (0,1 - 0,18) auf.

Neben dem Erdboden reflektieren aber vor allem die Wolken Sonnenstrahlung zurück ins Weltall. Im Verhältnis zum Erdboden sind deren reflektierte Anteile sogar deutlich höher. Wolken weisen im kurzwelligen Bereich eine Albedo von 60 - 90%, im langwelligen Bereich dagegen von nur 10% auf. Der Einfallswinkel der ankommenden Strahlung, die atmosphärische Trübung und der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre haben dabei einen besonders starken Einfluß auf die Albedo. Grundsätzlich gilt jedoch auch bei den Wolken: Je heller, desto größer das Reflektionsvermögen. Die geringste Albedo weist der Cirrus (aus Eiskristallen bestehende dünne Schleierwolken) mit Werten zwischen 0,15 und 0,2 auf. Die höchsten Werte bis 0,8 erreichen die weißen Cumulus-Wolken. Allerdings ist die Albedo bei diesem Wolkentyp sehr variabel. Je nach Flüssigwassergehalt und Tropfengröße in der Wolke kann der reflektierte Anteil deutlich absinken und nur noch so um 40% liegen.

Von der Atmosphäre werden ca. 42 % der gesamten Sonneneinstrahlung direkt wieder in den Weltraum zurückgeworfen. Wolken, insbesondere geschlossene Wolkendecken reflektieren einen großen Teil des Sonnenlichts. Bei entsprechender Dicke der Wolkenschicht können durch Reflexion bis zu 70 % des einfallenden Lichts zurückgestrahlt werden. Nicht zuletzt dieser Effekt läßt die Erde aus dem Weltraum wie einen glitzernden Edelstein funkeln. Unter den Wolken bleibt es deswegen kühl.

Die planetare Albedo beschreibt insofern das gesamte Reflexionsvermögen der Erde. Sie schließt also die reflektive Wirkung der Bewölkung und der Atmosphäre mit ein. Nach neueren Überlegungen wird sie im Jahresmittel auf rund 30% geschätzt und unterliegt dabei neben jahreszeitlichen auch erheblichen Variationen im Jahresverlauf. Damit durchströmt etwa ein Drittel der gesamten eingehenden extraterrestrischen Strahlung, welche durch die Solarkonstante quantitativ erfasst wird,  demnach das System Erde-Atmosphäre ohne Arbeit zu leisten (Strahlungsbilanz). Bereits geringe Änderungen der planetaren Albedo genügen zur Auslösung von spürbaren Änderungen der globalen Mitteltemperatur. Dies ist eine Folge der positiven Eis-Albedo-Rückkopplung.

In gleicher Weise kann auch Kleidung mehr oder weniger viel Wärme absorbieren bzw. reflektieren. Dunkle Kleidung absorbiert die Sonnenstrahlen sehr stark und wandelt sie in langwellige Wärmestrahlung um, was wir dann direkt auf der Haut spüren können. Während dieser Effekt vor allem in den noch kühleren Frühlingsmonaten als angenehm empfunden wird, kann er im heißen Hochsommer doch eher zur Qual werden. Dann sind eher helle und leichte Stoffe optimal. Helle Kleidung (weiß, gelb, etc.) reflektiert einen großen Anteil der kurzwelligen Sonnenstrahlung und heizt sich daher nicht so stark auf.

Das durchschnittliche direkte Rückstrahlvermögen der Erde, einschließlich der Wolken, liegt bei ca. 0,3 oder 30 %. Dieses Rückstrahlung der Erde wird Albedo genannt.

Absorption

Die Sonne selbst kann die Luft kaum erwärmen. Das geschieht vielmehr fast ausschließlich über die Erdoberfläche. Diese ist daher hauptverantwortlich für die Temperatur der Luft. Über Land wird die Wärme schnell an die Atmosphäre weitergegeben. Wasser speichert sie größtenteils, erwärmt sich also im Sommer wesentlich langsamer als die Landmassen. Wärme wird also insbesondere durch die Bestrahlung von Landflächen produziert.
Näheres dazu wird im Kapitel Wärmeleitung erläutert.

Vom Land, den Ozeanen, der Vegetation und des Gasmolekülen der Luft wird die einfallende Sonnenstrahlung absorbiert, d.h. das sichtbare Licht wird direkt in Wärme umgewandelt. Insbesondere die Ozonschicht der Stratosphäre absorbiert die kurzwellige Ultraviolettstrahlung und heizt sich dadurch von ca. - 60 °C auf fast 0 °C stark auf. Auch das in der Luft enthaltene Wasser, insbesondere in Wolken oder Dunst, aber auch in Form von unsichtbarem Wasserdampf, absorbiert in geringem Maße die einfallende Sonnenstrahlung.

Die Erde erwärmt sich dadurch. Die aufgenommene Energie (kurzwellige Einstrahlung der Sonne) wird von der Erde wie von jedem warmen Körper auch wieder in Form von langwelliger Wärmestrahlung an die Atmosphäre abgegeben. Weil die Oberfläche der Erde aber viel kühler ist als die Sonne, hat die Strahlung der Erde eine längere Wellenlänge als Sonnenstrahlung. Sie liegt im unsichtbaren Infrarotbereich.

Ausstrahlung

Diese langwellige Strahlung wird dann vom Erdboden wieder abgestrahlt. Eine solche Ausstrahlung beinhaltet immer einen Energieverlust, der zum entsprechenden Temperaturabfall führt. Die Abkühlung der Erdoberfläche und der bodennahen Luftschichten während der Nacht, beruht auf dieser Ausstrahlung der tagsüber aufgenommenen Wärme. Die Strahlungsbilanz wird negativ. Da Luft ein thermisch träges Medium ist, reagiert sie nicht so schnell wie der Erdboden auf die Temperaturänderungen, das Temperaturminimum wird somit erst in den frühen Morgenstunden bei Sonnenaufgang erreicht.  

Jeder kennt diesen Effekt, wenn es sich in einer klaren Nacht stark abkühlt.

In den Nachtstunden gibt der Erdboden die tagsüber aufgenommene Energie als langwellige Ausstrahlung (Wärmestrahlung) wieder an die Atmosphäre ab. Bei vorhandener Wolkendecke wird ein Teil dieser Energie reflektiert und wieder zum Boden zurückgeworfen, die Abkühlung ist dadurch deutlich vermindert. Deshalb ist ein klarer Himmel die Grundvoraussetzung für einen kontinuierlichen, bodennahen Abkühlungsprozeß.

Auch diesen Effekt kennt jeder, wenn die nächtliche Ausstrahlung von Wolken behindert wird und es in bedeckten Nächten dann relativ warm bleibt.

Dabei kommt im Winter das hohe Reflexionsvermögen (Albedo) des Schnees besonders zur Geltung. Über frischen und noch nicht verunreinigten Schneeflächen wird nämlich die solare Einstrahlung tagsüber nahezu vollständig reflektiert. Nicht zuletzt wirkt eine frische Schneedecke mit ihren zahlreichen Lufteinschlüssen auch isolierend. Das unterbindet zwar einerseits die nächtliche Abstrahlung der darunter befindlichen Bodenwärme, andererseits findet deswegen eine Erwärmung der darunter liegenden Erdoberfläche aber erst gar nicht statt. Umso stärker wirkt somit die nächtliche Abkühlung, insbesondere wenn bei einer winterlichen Hochdrucklage mehrere solche Tage aufeinander folgen. Dann können die Temperaturen mächtig in den Keller rauschen.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß dabei auch der Wind eine wesentliche Rolle spielt. Bleibt dieser während der Nachtstunden lebhaft, so wird die Bildung von flachen "Kaltluftseen" in Mulden und Tälern infolge der permanenten Durchmischung erheblich erschwert, wodurch es ebenfalls milder bleibt.

Gleichwohl gelangt nicht die gesamte Wärme wieder zurück ins Weltall, da das in der Luft enthaltene Wasser, insbesondere in Wolken oder Dunst, aber auch in Form des unsichtbaren Wasserdampfs, die langwellige Erdstrahlung absorbiert. Der Wasserdampf  der Luft wirkt insoweit wie das Glas eines Gewächshauses, das die kurzwellige Sonnenstrahlung fast ungestört durchläßt, die langwellige Wärmestrahlung aber durch Absorption zurückhält. Auch Wolken absorbieren und reflektieren diese Erdstrahlung. Hierauf wird gleich anschließend im Abschnitt "Der Treibhaus-Effekt" eingegangen.

Festzuhalten ist damit, daß die Erwärmung der Luft der Troposphäre nicht direkt durch die Sonnenstrahlung erfolgt, sondern indirekt von der Erdoberfläche ausgeht. Am wichtigsten ist dabei die Temperatur in etwa 1500 m Höhe. Egal, wie kräftig und lange die Sonne scheint, am Boden kann es nicht viel mehr als 15 Grad wärmer als in dieser Höhe werden.

Ergänzend darf insoweit auch auf das Kapitel Strahlungshaushalt verwiesen werden.

Der "Treibhaus-Effekt"

Wäre das alles, würde sich die Erde am Tag aufheizen, nachts aber die ganze Energie wieder zurück in den Raum abstrahlen und die Temperatur auf der Oberfläche des Planeten würde sehr schnell wieder weit unter Null fallen. Auf dem Mond ist das beispielsweise so der Fall. Der Grund, daß das auf der Erde nicht geschieht, sind die Moleküle der Atmosphäre, welche diese Wärme absorbieren und diese verzögert wieder abgeben. Das reduziert die Wärmeabstrahlung in den Weltraum. Auf diese Weise wird der größte Teil der Sonnenstrahlung, welche die Erdoberfläche erreicht, als Wärmenergie wieder an die Atmosphäre abgegeben. Damit sind diese Moleküle letztlich dafür verantwortlich, daß die Erde für unsere energetisch aktive und komplizierte Biosphäre die passenden Temperaturen aufweist.

Von wesentlicher Bedeutung sind dafür sind die sog. "Treibhausgase", weil sie die Wärme wie die Glaswände eines Gewächshauses zurückhalten.

Schon das Ozon der Stratosphäre in ca. 20 - 50 km Höhe absorbiert den kurzwelligen Anteil der ankommenden Sonnenstrahlung (UV-Strahlung). Dabei heizt sich diese Ozonschicht bis zu annähernd behaglichen Temperaturen auf. Ein Teil dieser Wärme wird ins All, der andere aber zur Erdoberfläche abgestrahlt.

Wasserdampf und CO₂ sind dabei die wichtigsten Wärme aufnehmenden Gase der Lufthülle der Erde. Womöglich ist Wasserdampf sogar das bedeutsamste Treibhausgas in der unteren Atmosphäre. Allein der in der Atmosphäre befindliche Wasserdampf absorbiert etwa 5-mal mehr dieser Erdstrahlung als alle anderen Gase zusammen. Das erklärt die warmen Temperaturen in der unteren Troposphäre, wo sich der größte Teil des Wasserdampfs befindet.

Die Sonnenstrahlung erwärmt also den Erdboden, nicht die Luft.