Energiebalans van de aarde

De aarde en haar atmosfeer vormen samen een complex systeem. Echter, als van daaruit naar de ruimte wordt gekeken, is dit systeem verbluffend eenvoudig te karakteriseren: de planeet aarde is een open systeem voor energie in de vorm van straling. De enige manier waarop de aarde energie kan ontvangen of kwijtraken aan de omringende ruimte is straling, dus alléén straling kan het systeem aarde binnentreden of verlaten.

Twee soorten straling spelen hierbij een hoofdrol:
• zonnestraling: straling afkomstig van de zon, die ervaren wordt als zichtbaar licht
• warmtestraling: (infrarood)straling die gevoeld wordt als warmte, bijvoorbeeld van een gloeiende kachel of een warmtelamp, maar niet door de mens gezien kan worden

De aarde kan hiermee als volgt gekarakteriseerd worden:
• input is de straling afkomstig van de zon, maar hiervan bereikt een deel de aarde niet door directe reflectie van zonlicht (albedo)
• output is de warmtestraling afkomstig van het aardoppervlak en de atmosfeer.

Als open energiesysteem moet de aarde voldoen aan de wet van behoud van energie: energie kan niet verloren gaan en ook niet uit het niets ontstaan. De energie van het universum is constant. Als de aarde meer straling ontvangt dan ze uitzendt dan neemt de hoeveelheid op aarde vastgelegde energie toe: er wordt een netto hoeveelheid warmte Q vastgehouden. Het gevolg daarvan is weer dat de temperatuur oploopt want in het algemeen geldt immers dat Q = mc_pΔT, oftewel een hoeveelheid warmte Q vertaalt zich in opwarming van de massa (m) aan het oppervlak van de aarde (bodem, atmosfeer en water in zeeën en oceanen). Andersom zal de hoeveelheid energie vastgelegd op aarde kleiner worden als er meer output van straling naar de ruimte is dan dat er binnenkomt: de aarde koelt af. Doordat de onbalans relatief klein is, de op te warmen massa groot en het weer inherent variabel, is het voor een individu moeilijk waar te nemen dat er iets verandert. De verandering gaat heel geleidelijk, over tientallen zoniet honderden jaren, oorzaak en gevolg liggen in de tijd uit elkaar (het systeem reageert traag) en de waarneming wordt bemoeilijkt door natuurlijke variatie in het weer.

Op basis van informatie over toe- en afvoer van energie (straling afkomstig van de zon, reflectie zonlicht, warmtestraling) kan de energiebalans van de aarde opgesteld worden en het broeikaseffect berekend worden.