La maggior parte di coloro che partecipano al dibattito si presume saranno d’accordo che la proprietà dell’atmosfera di interagire con la radiazione termica fa sì che la temperatura superficiale della Terra venga mantenuta ad un livello che la rende vivibile. La temperatura superficiale della Terra è circa 33°C più alta di quanto richiesto rispetto alla differenza tra quantità di radiazione solare assorbita e quantità di radiazione solare  reirradiata. Ciò avviene perché la maggior parte della radiazione viene assorbita dalla atmosfera e quella che viene reirradiata verso lo spazio scappa dalle parti più alte e fredde della atmosfera

Questo assorbimento è dovuto a gas in traccia che costiuiscono una parte molto piccola della atmosfera. Tali gas sono opachi alla radizione termica e sono chiamati “gas serra”. I più importanti gas serra sulla Terra sono il vapore acqueo e l’anidride carbonica, altri gas forniscono un ulteriore contributo: il Metano, l’ossido nitroso, l’Ozono ed altri. Se l’atmosfera fosse secca e costituita solo da Ossigeno ed Azoto la Terra sarebbe completamente congelata.    

Osservare l’effetto serra in azione

Il modo più semplice di osservare l’effetto serra in azione è farlo attraverso la radiazione atmosferica riflessa indietro. Ogni sostanza che assorbe la radiazione termica emette pure radiazione termica: questo è conseguenza della legge di Kirchoff. La atmosfera assorbe la radiazione termica a causa della presenza dei gas serra e contemporaneamente emette radiazione termica in tutte le direzioni. Questa emissione termica può essere misurata dal suolo ed anche dallo spazio. La superficie della Terra in effetti riceve più radiazione dall’atmosfera di quanta ne arriva dal Sole.
Il flusso netto di calore è ancora verso l’alto , dalla superficie verso l’atmosfera, ciò in quanto la emisssione termica verso l’alto è maggiore della radiazione atmosferica riflessa verso il basso. Questa è una semplice conseguenza della 2^a legge della termodinamica. La grandezza del flusso netto di calore è dato dalla differenza tra i due flussi di energia radiante nelle due direzioni. A causa della radiazione riflessa indietro la temperatura superficiale e la radiazione termica verso l’alto sono molto più grandi di quanto sarebbero se non ci fosse l’effetto serra. 
La radizione atmosferica riflessa all’indietro è stata misurata direttamente per oltre 50 anni. L’effetto dei gas serra si manifesta chiaramente attraverso le misure moderne che sono in grado di esaminare l’intero spettro.

Figura 1. Misure simultanee dello spettro di emissione IR di atmosfera libera da nubi a 20 km di altezza, (a)  mirando in basso verso distese di ghiaccio in Artico, e   (b) in superficie mirando verso l’alto. (Data courtesy of David Tobin, Space Science and Engineering Center, University of Wisconsin-Madison. Diagram courtesy of Grant Petty, from Petty 2006).

Quando si mira verso il basso da un aereo a 20 km di altezza (Fig.1-a) ciò che vede è la radiazione termica che la Terra emette verso l’alto. Una parte della radiazione proviene dalla superficie. Questa corrisponde alla parte dello spettro rappresentata dalla linea del diagramma a 268 °K.  Un’altra parte della radiazione viene dalla alta atmosfera che è molto fredda. Quest’ultima corrisponde alla parte dello spettro rappresentata dalla linea a circa 225 °K. Le porzioni di spettro che risultano “mangiate” si riferiscono a bande nelle quali i gas serra assorbono la radiazione proveniente dalla superficie, quindi la radiazione IR che sfugge verso lo spazio è quella che viene emessa dagli strati più alti dell’atmosfera.
Miarando verso l’alto dalla superficie, (Fig.1-b), ciò che si vede è la radiazione termica reirradiata verso il basso dalla atmosfera. Per certe frequenze la radiazione termica è bloccata molto efficientemente. La radiazione irradiata verso il basso è funzione della temperatura dell’aria più calda prossima al suolo. Nella finestra infrarossa  della atmosfera, la atmosfera è trasparente. A queste frequenze non viene assorbita la radiazione, né radiazione viene emessa , ed è in corrispondenza di queste frequenze che telescopi IR possono esplorare lo spazio, e apparecchiature a microonde su satellite possono puntare verso la superficie terrestre.
Le linee tratteggiate del diagramma aventi la indicazione della temperatura sono le curve di emissione di un corpo nero a quella temperatura. Il vapore acqueo ha uno spettro d’assorbimento complesso e non è ben mescolato nell’atmosfera. Le emissioni osservate sotto i 600 cm^-1 sono dovute al vapore acqueo presente a varie altezze. La anidride carbonica risulta fornire il maggior contributo all’emissione tra circa 600 e 750 cm^-1. Il tratto di emissione appena sopra 1000 cm^-1 è dovuto all’Ozono.

Il termine “serra”

Il termine “serra” è stato coniato per questo effetto atmosferico nel XIX secolo. Una serra con le pareti di vetro e la “serra” atmosferica  entrambe agiscono come barriera fisica che blocca il flusso di calore, e fanno si che di stabilisca una temperatura superiore al di sotto della barriera. Il meccanismo fisico che caratterizza le due “serre” è differente. La serra con le pareti di vetro agisce principalmente bloccando meccanicamente la convezione, la “serra” atmosferica agisce principalmente bloccando la radiazione termica, e pertanto il usare il termine “serra” per le due situazioni non è appropriato. La differenza è ben comprensibile e viene spiegata  nella maggior parte delle introduzioni all’argomento. Spesso si fa confusione perché di solito si spiega come funziona la serra in vetro e non come funziona l’effetto serra atmosferico.   

L’effetto serra amplificato

L’effetto serra ha sempre costituito un importante fattore per il Clima della Terra, ed è sempre stato indispensabile perché potessero stabilirsi condizioni  dove fosse possibile la vita. Senza l’effetto serra naturale la superficie terrestre si ricoprirebbe rapidamente di ghiaccio.
 L’ esistenza dell’effetto serra naturale non dovrebbe però essere confusa con i cambiamenti dovuti all’effetto dei gas serra prodotti dall’Uomo. Il riscaldamento globale dell’era moderna è generato dal’aumento della concentrazione dei gas serra in atmosfera, che danno luogo all’effetto serra amplificato. Questo argomento è trattato separatamente in “Come sappiamo che più CO₂ causa riscaldamento?”