Mặt trời phát ra các bức xạ điện từ và là nguồn nhiệt năng chủ yếu cung cấp cho trái đất. Cường độ bức xạ đến từ mặt trời gọi là E biểu diễn năng lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt. Năng lượng này được tính bằng công thức của Stefan- Bolzmann:
E = σ Ts4 (3.2)
Trong đó: σ : Hằng số Stefan- Bolzmann = 5.67* 10-8 W/m2K4
Ts : Nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt mặt trời, tại đây nhiệt độ khoảng 6000 0K
Sử dụng phương trình (3-2), tính toán được năng lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt đất là 3.402 * 10-2 W/m2. Đây là giá trị trung bình trên toàn bộ dải bước sóng của bức xạ mặt trời (hình 3-3)
Hình 3-3: Phân bố của cường độ bức xạ mặt trời trên vật đen tuyệt đối với nhiệt độ bề mặt mặt trời là 60000K
Bức xạ đến bề mặt trái đất khi đi qua không khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa trái đất và mặt trời.
Hình 3-4: Sự giảm cường độ năng lượng mặt trời khi đi qua khí quyển
Khi đi qua khí quyển, năng lượng bị hấp thụ, phát xạ và phản xạ bởi các lớp mây (hình 3-4). Tỉ số phản chiếu năng lượng mặt trời khi đi qua các đám mây gọi là Albedo.
Bức xạ mặt trời khi đến mặt đất bị hấp thụ, một phần truyền vào các tầng đất, một phần khác bị phản xạ trở lại không gian khí quyển. Albedo của bề mặt phụ thuộc vào loại vật chất và tính chất bề mặt nhận năng lượng, góc đến của tia bức xạ và bước sóng. Sự hấp thụ năng lượng mặt trời sẽ chuyển hóa thành nhiệt. Nhiệt được truyền xuống đất theo chiều thẳng đứng.
Nếu trái đất hấp thụ hoàn toàn bức xạ mặt trời thì nhiệt độ bề mặt tăng lên liên tục. Điều này không thể xảy ra vì trái đất sau khi nhận được năng lượng mặt trời lại trở thành vật phát xạ và nó phát xạ bức xạ điện từ vào không gian khí quyển. Lấy giá trị trung bình và bỏ qua sự thay đổi nhiệt độ trung bình hàng năm của trái đất từ năm này qua năm khác thì cân bằng sẽ tồn tại giữa bức xạ đến và bức xạ ngược trở lại khí quyển.
Mặt đất chủ yếu phỏt ra bức xạ nhỡn thấy và bức xạ hồng ngoại với bước súng >4àm.
Hơi nước, khí CO2 và tầng ozon hấp thụ bức xạ bước sóng ngắn và cực ngắn. Các khí trên lại phát xạ sóng dài vào tất cả các hướng trong vũ trụ mà ta gọi là phản xạ thứ cấp.
Vì vậy chúng hoạt động như lớp đệm xung quanh trái đất tương tự như một tấm kính bọc lấy ngôi nhà xanh trái đất mà chúng ta thường gọi là hiệu ứng nhà kính.
Trái đất quay xung quanh mặt trời theo một qũy đạo ellip với khoảng cách trung bình từ trái đất đến mặt trời khoảng 150 triệu km. Tổng bức xạ nhận được hàng ngày phụ thuộc vào khoảng thời gian tiếp nhận ánh sáng mặt trời, góc mặt trời (góc hợp bởi tia tới mặt trời và bề mặt đất) và khoảng cách từ trái đất đến mặt trời. Các thông số này thay đổi theo vĩ độ và theo mùa.
Hình 3-5: Cường độ bức xạ đến và đi trung bình trong thời gian dài
Quá trình hấp thụ và phản xạ cũng khác nhau ở các địa điểm trên bề mặt trái đất. Ở vĩ độ cao gần vùng cực, bức xạ đến nhỏ hơn phản xạ ngược khí quyển và dẫn tới quá trình mất nhiệt. Ở vĩ độ thấp gần xích đạo, thì ngược lại cân bằng nhiệt đạt giá trị dương (hình 3-5). Biến đổi năng lượng từ nơi có trị số dương ở những khu vực gần xích đạo đến nơi năng lượng mang trị số âm gần cực sẽ đi qua khu vực có trị số biến đổi bằng 0. Điểm này xảy ra tại vĩ độ 370nam và bắc.
Gió và dòng biển là kết quả của quá trình chuyển vận nhiệt theo chiều nằm ngang. Quá trình này tạo nên sự phân bố không đều của nhiệt trên bề mặt trái đất.
Sự phân bố của ngày, đêm cũng là nguyên nhân chính sự thay đổi của nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ trên biển khác trên đất liền. Trong nước, bức xạ mặt trời xâm nhập
xuống sâu hơn trong đất. Nước có nhiệt dung riêng lớn hơn đất nên khả năng nhận nhiệt nhiều hơn trong quá trình trộn lẫn và bốc hơi. Sự khác nhau giữa đất và nước gây nên sự khác nhau về phân bố nhiệt độ trên bề mặt trái đất (hình 3-6).
Hình 3-6: Nhiệt độ không khí tại mực biển tháng I và tháng VII
Phân bố của nhiệt độ khí quyển trên bề mặt trái đất phụ thuộc chủ yếu vào 4 nhân tố sau:
• Vĩ độ địa lý
• Độ cao
• Bản chất của bề mặt chẳng hạn như sự phân bố của biển và lục địa
• Chuyển động nằm ngang của không khí (gió) và dòng biển