Am Rand der Lufthülle kommt von der Sonne eine Strahlungsleistung von etwa 1361 W/m² an, gemessen auf einer Fläche, die senkrecht zur Strahlung steht. Die Erde ist aber eine Kugel, deren Oberfläche viermal so groß ist wie die Scheibe, die die Sonne sieht. Verteilt auf die ganze Oberfläche sind es im Mittel etwa 340 W/m².

Ein Teil davon wird zurückgeworfen, der Rest absorbiert. Die Erde erwärmt sich und strahlt selbst Wärmestrahlung ins Weltall ab. Wenn sie gleich viel aufnimmt wie abgibt, herrscht Strahlungsgleichgewicht: Die Temperatur bleibt im Mittel gleich. Die ganze Bilanz heißt Strahlungshaushalt. In gerundeten Mittelwerten gilt:

Nimmt die Erde mehr auf, als sie abgibt, steigt ihre Temperatur, bis die Abgabe wieder gleich groß ist (siehe Stefan-Boltzmann-Gesetz).

Der Anteil der ankommenden Strahlung, den eine Fläche zurückwirft, heißt Albedo (Rückstrahlvermögen) $a$. Er liegt zwischen 0 (alles wird absorbiert) und 1 (alles wird zurückgeworfen) und hat keine Einheit. Absorbiert wird der Anteil $1 - a$. Helle Flächen werfen viel zurück, dunkle wenig, wie du es vom weißen und vom schwarzen T-Shirt kennst. Gerundete Werte:

Für die ganze Erde bedeutet $a = 0{,}3$: Von 340 W/m² werden 0,3 · 340 ≈ 100 W/m² zurückgeworfen und etwa 240 W/m² absorbiert.

Jeder Körper sendet Wärmestrahlung aus, und zwar umso mehr, je heißer er ist. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz gibt an, wie stark. Ein idealer Strahler (er absorbiert alle Strahlung, die auf ihn trifft) mit der Temperatur $T$ in Kelvin strahlt je m² Oberfläche die Leistung $j$ ab. Dabei ist $\sigma = 5{,}67 \cdot 10^{-8}$ W/(m²·K⁴) eine Konstante:

Das Entscheidende ist die vierte Potenz: Verdoppelst du die Temperatur in Kelvin, wächst die abgestrahlte Leistung auf das 2⁴ = 16-fache. Einige Werte, gerundet:

Im Diagramm (Temperatur waagerecht, Leistung senkrecht) ergibt das eine Kurve, die erst flach und dann immer steiler ansteigt. Eine wärmere Erde strahlt deshalb stark mehr ab, und das bremst jede Erwärmung. Die Erde ist kein idealer Strahler, kommt ihm für Wärmestrahlung aber nahe.

Das Sonnenlicht hat überwiegend kurze Wellenlängen (sichtbares Licht und kurzwelliges Infrarot). Ein großer Teil geht durch die Lufthülle und wird am Boden absorbiert. Der warme Boden sendet Wärmestrahlung aus. Das ist Infrarotstrahlung mit viel größerer Wellenlänge, etwa 10 000 nm. Bestimmte Gase der Luft absorbieren diese Infrarotstrahlung: die Treibhausgase, vor allem Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O). Die Gasteilchen senden die aufgenommene Energie in alle Richtungen wieder aus, auch nach unten. Diese Gegenstrahlung trifft den Boden zusätzlich zur Sonne.

Darum muss der Boden wärmer werden, bis die Abstrahlung ins Weltall wieder 240 W/m² beträgt. Das ist der natürliche Treibhauseffekt: Er hebt die Mitteltemperatur von −18 °C auf etwa +15 °C. Stickstoff und Sauerstoff, zusammen etwa 99 % der Luft, absorbieren Infrarotstrahlung kaum. Sie sind keine Treibhausgase.

Anthropogen heißt vom Menschen verursacht. Der Mensch bringt zusätzliche Treibhausgase in die Luft: CO₂ beim Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas und beim Abholzen von Wäldern, Methan unter anderem aus Rinderhaltung und Reisanbau, Lachgas aus Düngern. Der CO₂-Gehalt der Luft stieg von etwa 280 ppm vor der Industrialisierung auf über 420 ppm (ppm bedeutet Teile pro Million: 420 ppm sind 0,042 %).

Mehr Treibhausgas absorbiert mehr Infrarotstrahlung, und es entweicht weniger ins Weltall. Das Gleichgewicht ist gestört: Die Erde nimmt etwa 0,5 bis 1 W/m² mehr auf, als sie abgibt, und erwärmt sich, bis die Abstrahlung wieder passt. Das ist der Klimawandel. Klima ist der über viele Jahre (meist 30) gemittelte Verlauf des Wetters.

Eine Rückkopplung liegt vor, wenn eine Veränderung Folgen hat, die ihrerseits die Veränderung beeinflussen. Verstärken die Folgen sie, ist die Rückkopplung positiv, dämpfen sie, ist sie negativ.

• Eis-Albedo-Rückkopplung (positiv): Es wird wärmer, Schnee und Eis schmelzen. Die dunklere Fläche darunter reflektiert weniger und absorbiert mehr Sonnenstrahlung. Es wird noch wärmer.
• Wasserdampf-Rückkopplung (positiv): Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen. Wasserdampf ist ein Treibhausgas und verstärkt den Treibhauseffekt.
• Abstrahlung (negativ): Eine wärmere Erde strahlt nach $j = \sigma \cdot T^4$ mehr ab und bremst die Erwärmung.

Kippelemente sind Teile des Klimasystems, die ab einer Schwelle in einen anderen Zustand übergehen können. Dieser Übergang ist auf menschlichen Zeitskalen kaum umkehrbar. Beispiele sind der Eisschild Grönlands, der Amazonas-Regenwald, der Permafrostboden (er setzt beim Tauen CO₂ und Methan frei) und Meeresströmungen im Atlantik. Wo die Schwellen genau liegen, ist unsicher.

Die Ozeane bedecken etwa 71 % der Erdoberfläche. Wasser hat eine große spezifische Wärmekapazität, und es ist sehr viel davon da. Deshalb haben die Ozeane etwa 90 % der zusätzlichen Wärme aufgenommen. Das dämpft die Erwärmung der Luft, aber die Wärme ist nicht weg: Wärmeres Wasser nimmt mehr Raum ein, der Meeresspiegel steigt.

Die Ozeane lösen auch CO₂ aus der Luft und haben etwa ein Viertel der menschlichen CO₂-Emissionen aufgenommen. Kaltes Wasser löst mehr Gas als warmes. Erwärmen sich die Ozeane, können sie weniger CO₂ aufnehmen (eine positive Rückkopplung). Gelöstes CO₂ bildet eine schwache Säure: Das Meer wird saurer, was Muscheln und Korallen mit ihren Kalkschalen und Kalkskeletten schadet.