Солнечная радиация является основным источником энергии для самых разнообразных процессов и явлений, совершающихся на Земле и в атмосфере. Солнечное тепло обусловливает жизнедеятельность животных и живых организмов. Физические и химические процессы, происходящие на суше, в океане и атмосфере, полностью определяются количеством солнечной радиации. Количество солнечной энергии, поступающей на поверхность земли, зависит от географической широты и времени года (склонения солнца).

Фактические суммы радиации, приходящие к подстилающей поверхности, значительно снижены за счет ее поглощения и отражения в атмосфере. Суммарная радиация, поступающая к поверхности земли, поглощается ею не полностью, а частично отражается. Отражательная способность поверхности земли зависит от рода тел, их физических свойств, цвета и состояния. Земная поверхность, поглощая суммарную радиацию, в то же время теряет тепло путем длинноволнового излучения. Это тепло в значительной мере поглощается атмосферой и частично уходит в мировое пространство.

Разность между поглощенной коротковолновой радиацией и эффективным излучением определяет радиационный баланс подстилающей поверхности:

R = Q(1 – r) – В_эф ,

где Q(1 – r) – поглощенная радиация;

Q – суммарная радиация (отраженная и рассеянная);

r – альбедо подстилающей поверхности;

В_эф – эффективное излучение деятельной поверхности.

Радиационный баланс атмосферы R_a определяется соотношением:

R_а = Q_п  + В_эф  – U ,

где Q_п – поглощенная атмосферой коротковолновая солнечная радиация;

В_эф – эффективное излучение деятельной поверхности.

U – уходящее в мировое пространство излучение земной поверхности и атмосферы.

Согласно расчетам, поглощаемая атмосферой коротковолновая солнечная радиация нагревает ее в среднем за год на 0,6 град/сутки, а длинноволновое излучение в космос выхолаживает на 1,5 град/сутки. Следовательно, радиационный баланс атмосферы остается отрицательным. Чтобы сбалансировать величину этого охлаждения, необходим приток тепла от земной поверхности. Тепло от нее передается атмосфере испарением и турбулентной теплопроводностью. Уравнение теплового баланса подстилающей поверхности выглядит следующим образом:

R = LE + P + A,

где R – радиационный баланс;

LE – затраты тепла на испарение;

Р – затраты тепла на турбулентный теплообмен;

A – теплообмен поверхности с нижележащими слоями.

Затраты тепла на испарение составляют основную расходную статью теплового баланса земной поверхности. Приток же тепла за счет конденсации водяного пара представляет основную приходную статью теплового баланса атмосферы. Испарение земной поверхности связано с изыманием тепла от подстилающей поверхности и прилегающих к ней слоев воздуха и приводит к понижению температуры приземного слоя атмосферы. Влияние конденсации водяного пара на температуру атмосферы сказывается на уровне образования облаков и проявляется в повышении температуры.

В процессе освобождения скрытой теплоты конденсации атмосфера нагревается на всех широтах до большой высоты. В низких широтах эффект нагревания распространяется на всю тропосферу в результате интенсивного развития конвекции. В полярных широтах эффект нагревания атмосферы ограничен в основном нижней тропосферой, что объясняется отчасти устойчивостью атмосферы.

Второй расходной статьей теплового баланса подстилающей поверхности и второй приходной статьей теплового баланса атмосферы является турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой, который еще называют ощутимой, или явной теплотой. Изменение температуры под воздействием притока ощутимой теплоты ограничено пограничным слоем, высота которого даже в низких широтах не превышает 3 км.

Обе приходные составляющие теплового баланса системы Земля–атмосфера – приток от подстилающей поверхности скрытой и ощутимой теплоты в сумме дают количество энергии, которое в совокупности с поглощенной атмосферой солнечной радиацией может быть больше или меньше необходимого для поддержания теплового равновесия столба в данной широтной полосе. Недостаток или избыток тепла приносится или уносится горизонтальными движениями в атмосфере и океане.