Zoals reeds aangegeven is de energiebalans een fysisch concept dat de inkomende energie vergelijkt met de uitgaande energie. Het principe luidt als volgt:

Wanneer de aarde evenveel energie ontvangt als ze energie afstaat, dan zal de temperatuur van de aarde constant blijven.

Je kan dit principe ook omgekeerd bekijken: als de temperatuur constant blijft, dan is de inkomende energie gelijk aan de uitgaande energie.

We zullen dit principe toepassen ter hoogte van het aardoppervlak, maar dit principe is geldig op elke hoogte. Neem bijvoorbeeld de stratosfeer, als de stratosfeer meer energie opneemt dan afgeeft, dan zal deze opwarmen.

Hiernaast zie je een illustratie van een temperatuursverloop. Bij een typisch temperatuursverloop zal de temperatuur nooit constant zijn, maar zal toenemen en afnemen doorheen de tijd.

We kunnen zo een temperatuursverloop ook bekijken vanuit de energiebalans. Wanneer de temperatuur stijgt, de rode stukken, is de inkomende energie groter dan de uitgaande energie.

Wanneer de temperatuur daalt, het blauwe stuk, is de uitgaande energie groter dan de inkomende energie.

Enkel in de groene stukken blijft de temperatuur voor enige (korte) tijd constant. Hier zijn de inkomende en uitgaande energie gelijk.

Rondom de aarde bevindt zich de atmosfeer die zal interageren met de inkomende kortgolvige straling. Er treden drie processen op die ervoor zorgen dat een deel van de inkomende kortgolvige straling de aarde niet zal bereiken.

• Verstrooiing aan deeltjes en gassen in de atmosfeer zorgt ervoor dat een deel van de inkomende kortgolvige straling de aarde niet bereikt. Dit komt omdat straling die verstrooid wordt niet noodzakelijk meer gericht is naar de aarde.

• Reflectie aan wolken treedt op en hierdoor zal een gedeelte van de inkomende kortgolvige straling naar de ruimte weerkaatst worden zonder het aardoppervlak te bereiken. Dit is geldig doorheen de dag. 's Nachts, wanneer er geen inkomende kortgolvige straling is, zorgen de wolken ervoor dat de aarde trager afkoelt.

• Absorptie in de atmosfeer (bv. door ozon) zal een deel van de energie van de kortgolvige straling opnemen. Hierdoor zal de temperatuur van het absorberende gas toenemen. Omdat het gas opwarmt, zal het weer energie afstaan in de vorm van warmtestraling of langgolvige straling. Deze langgolvige straling wordt uitgezonden in alle richtingen en een gedeelte zal dus ook richting het aardoppervlak gaan.

Het albedo van een materiaal geeft aan in welke mate dit materiaal invallende straling reflecteert. Een albedo van 1 wilt zeggen dat de invallende straling volledig weerkaatst wordt, een albedo van 0 betekent volledige absorptie van de invallende straling. Hiernaast vind je een tabel met de albedowaarden voor verschillende oppervlakken. Een besneeuwde bodem heeft bijvoorbeeld een veel hoger albedo dan een grasland. Tellen we de reflectie van de wolken en het aardoppervlak samen, dan bekomen we dat ongeveer 30% van de invallende zonnestraling gereflecteerd wordt. Anders gezegd, onze planeet heeft in zijn geheel een albedo van 0,3.

De invallende straling voorziet de aarde van energie, hierdoor warmt de aarde op en zal deze energie uitstralen in de vorm van langgolvige straling.

De langgolvige straling wordt steeds weergegeven in het rood. In de situatie op de figuur links zou wanneer de uitgestraalde energie gelijk is aan de inkomende energie de temperatuur van het aardoppervlak constant zijn.

Als de uitgaande straling ongehinderd de atmosfeer kan verlaten, zou de temperatuur op aarde gelijk zijn van ongeveer -17 °C. Je weet ondertussen reeds dat dit niet het geval is en zullen nu bekijken wat de invloed is van broeikasgassen.

En nog is het het verhaal niet afgelopen. Want behalve energietransport door stralingsoverdracht blijken er nog andere vormen van energietransport een rol te spelen aan het aardoppervlak. De energie die het aardoppervlak absorbeert, wordt immers niet enkel via straling maar ook met twee andere processen aan de atmosfeer overgedragen.

Latente warmte is, zoals reeds gezien, een vorm van warmte die nodig is (of vrijkomt) bij een faseovergang. In dit geval is de fase-overgang van water naar waterdamp zeer belangrijk. Water aan het aardoppervlak kan verdampen tot waterdamp die in de atmosfeer terecht komt. Water kan enkel verdampen wanneer er warmte (= energie) aan toegevoegd wordt: latente warmte. Deze warmte energie wordt dus onttrokken aan de aarde. De voornaamste bronnen van water zijn: de oceanen, rivieren, meren, evapotranspiratie en het water in de bodem.

De latente warmte die door verdamping aan de aarde onttrokken is, komt vrij in de atmosfeer wanneer de waterdamp condenseert. Deze energie zal de temperatuur van de atmosfeer doen stijgen, waardoor de atmosfeer deze energie opnieuw zal uitstralen in de vorm van langgolvige straling. Een deel van deze straling wordt uitgestraald richting aardoppervlak, een ander deel van deze straling gaat naar de ruimte.