La mayoría de los participantes en los debates climáticos puede aceptar que la capacidad de la atmósfera de interactuar con la radiación térmica permite mantener la temperatura de la superficie de la Tierra a un nivel capaz de soportar la vida. La superficie terrestre está en torno a 33 grados Celsius más caliente que lo necesario para radiar de vuelta toda la radiación que ha absorbido procedente del sol. Esto es posible solamente porque la mayoría de esta radiación térmica se absorbe en la atmósfera y la fracción que finalmente escapa al espacio ha sido principalmente emitida en una atmósfera más fría.

Esta absorción se debe a los gases traza que constituyen solamente una pequeña parte de la atmósfera. Tales gases son opacos a la radiación térmica y son los llamados gases de efecto invernadero. Los gases de efecto invernadero más importantes sobre la Tierra son el vapor de agua y el dióxido de carbono, con contribuciones adicionales por parte del metano, óxido nitroso, ozono y otros. Si la atmósfera fuera simplemente una mezcla seca de sus constituyentes mayoritarios (oxígeno y nitrógeno), estaría completamente congelada.

Observando el efecto invernadero en acción

La observación directa más sencilla del efecto invernadero en activo es la radiación reemitida por la atmósfera. Cualquier sustancia que absorba la radiación térmica emitirá también radiación térmica; esto es una consecuencia de la ley de Kirchoff. La atmósfera absorbe radiación térmica mediante los gases de efecto invernadero, y también emite radiación térmica, en todas direcciones. Esta radiación térmica se puede medir desde la superficie o el espacio. La superficie terrestre recibe en total más radiación desde la atmósfera que la que recibe desde el Sol.

El flujo de neto de energía es, con todo, desde la superficie hacia arriba, hacia la atmósfera, porque la radiación térmica ascendente es mayor que la retroradiación térmica  atmosférica descendente. Esta es una consecuencia simple del segundo principio de la termodinámica. La magnitud del flujo neto de energía es la diferencia entre la energía radiante que fluye en cada dirección. Debido a la radiación atmosférica reemitida hacia abajo, la temperatura superficial y la radiación térmica ascendente son mayores que si no existiera el efecto invernadero.

La radiación  atmosférica reemitida ha sido medida directamente durante más de cincuenta años. El efecto de los gases de efecto invernadero se puede identificar claramente en las medidas modernas, las cuales son capaces de mostrar un espectro completo.

Figura 1. Medidas coincidentes del espectro de emisión infrarroja de la atmósfera sin nubes en (a)  20km, mirando hacia abajo sobre el Ártico y  (b) en la superficie, mirando hacia arriba. (Datos cortesía de David Tobin, Space Science and Engineering Center, University of Wisconsin-Madison. Diagrama courtesía de Grant Petty, de Petty 2006).

Cuando se mira hacia abajo desde un avión a 20km de altura (Fig 1a), lo que se ve es la radiación térmica terrestre que alcanza esa altura. Parte llega desde la superficie. Esta es la parte del espectro que sigue una línea correspondiente en el diagrama a aproximadamente 268 K. Parte de esta radiación llega desde niveles altos en la atmósfera, que se encuentran a menor temperatura. Esta es la parte del espectro que sigue aproximadamente una línea cercana a 225K. Los huecos del espectro  aparecen en aquellas bandas en las que los gases de efecto invernadero absorben radiación superficial y, por tanto, la radiación que finalmente escapa al espacio se emite realmente en niveles altos de la atmósfera.

Cuando se mira hacia arriba desde la superficie (Fig 1b), lo que se ve es la radiación térmica reemitida por la atmósfera. En algunas frecuencias, la radiación térmica es bloqueada de forma muy eficiente, y la radiación reemitida muestra la temperatura del aire caliente situado cerca de la superficie. En la ventana infrarroja de la atmósfera, la atmósfera es transparente. En estas frecuencias ni se absorbe ni se emite radiación y es en ellas en las cuales los telescopios infrarrojos y los satélites sondeadores de microondas miran al exterior del espacio y hacia la superficie, respectivamente.

Las líneas puntuadas suaves etiquetadas con temperaturas en el diagrama corresponden a las curvas de un cuerpo negro radiando a esa temperatura. El vapor de agua tiene un espectro de absorción complejo y no está bien mezclado en la atmósfera. Las emisiones por debajo de 600 cm^-1 se deben al vapor de agua que aparece a diferentes altitudes. El dióxido de carbono es el mayor contribuyente de la emisión que se ve entre  600 y 750 cm^-1. La zona de emisión justo sobre 1000 cm^-1 es debida al ozono.

El término "invernadero"

El término "invernadero" fue acuñado para este efecto atmosférico en el siglo diecinueve. Un invernadero de cristal y un invernadero atmosférico involucran en los dos casos una barrera física que bloquea el flujo de calor, produciendo una temperatura más cálida bajo la barrera. Sin embargo, la física subyacente a ambos casos es diferente. Un invernadero de cristal funciona fundamentalmente porque bloquea la convección, y un invernadero atmosférico actúa bloqueando la radiación térmica, por lo que la comparación no es exacta. Esta diferencia se comprende bien y se explica en la mayoría de las introducciones a la materia. Cuando aparecen confusiones, es habitualmente el mecanismo del invernadero de cristal el que está mal descrito y no el del invernadero atmosférico.

El efecto invernadero intensificado

El efecto invernadero ha sido siempre un importante factor sobre el clima terrestre y es esencial para mantener un ambiente habitable. Sin él, la superficie se congelaría rápidamente.

La existencia de un efecto invernadero no se debería de confundir con cambios en el efecto invernadero. El calentamiento global actual se debe al aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera, lo que conduce a un efecto invernadero intensificado, algo que se cubre de forma más detallada en otro argumento How do we know more CO₂ is causing warming?