Solljus, solstrålning eller solenergi är kortvågig strålning, vilket innebär det synliga ljusets våglängder och som klarar av att passera rakt genom ett fönster. Solljus passerat även rakt genom atmosfären, som inte är lika tät som ett fönster men avsevärt mycket tjockare. Solenergin värmer upp jordytan och haven, om än haven tar längre tid att värma upp på grund av att vattnet har hög värmekapacitet. Värmen strålas ut från jordytan i form av långvågig strålning, vilket har det infraröda ljusets våglängder och kallas ofta för bara värmestrålning. Denna strålning kan vi känna om än vi inte kan se värme eller IR-strålning direkt.
Värmestrålning tränger inte igenom ett fönster lika lätt som solstrålning om än värmestrålning har en viss genomträngningsförmåga genom fönsterrutor, där genomsläppet kan minskas med flerglasfönster. Värmestrålning tränger relativt lätt igenom ”större delen” atmosfären som i huvudsak består av 78% kväve och 21% syre. Resterande 1 procenten består av flera gaser i mindre mängd, bland annat växthusgaser. Växthusgaserna släpper inte igenom värmestrålning lika lätt som kväv- och syrgas, samt det är växthusgaserna som gör planeten beboelig. Utan växthusgaserna i atmosfären skulle medeltemperaturen på jorden vara -19°C och jorden skulle vara en frusen isplanet, istället för medeltemperaturen +15°C.
Bland klimatkristvivlare hörs ibland argumentet att atmosfären är så stor så mänskliga utsläpp kan omöjligen påverka atmosfären. För det första är inte atmosfären speciellt stor i förhållande till jordklotet utan de 10 km atmosfär som jorden har, utgör endast ca 1,5 promille av jordens radie.
Och för det andra, när de 99% syre och kväve av atmosfären vi inte påverkar eller kan påverka räknas bort, så är den procenten vi påverkar med utsläpp mycket mindre än hela atmosfären.
För att förstå varför växthusgaserna hindrar värmestrålning bör erinras vad värme är och vad som händer när ett föremål, ett material, en vätska eller en gas värms upp. Värme är ett mått på atomernas rörelse och när ett föremål värms upp börjar atomerna röra sig fortare. Lite förenklat kan sägas att desto mer atomerna i ämnets molekyler har möjlighet att röra sig, desto mer värmestrålning kan ämnet ta emot och desto varmare blir ämnet.
Syre- och kvävemolekyler består vardera av endast två atomer, vilka inte kan röra sig speciellt mycket i molekylerna och därav inte kan ta upp speciellt mycket värmestrålning. Atomerna i syre- och kvävemolekyler kan i stort sett bara vibrera och värmeenergi passerar rakt förbi dessa molekyler och ut i rymden. En koldioxidmolekyl innehåller en kolatom och två syreatomer, vilket innebär att atomerna har större möjligheter att röra sig och därigenom absorbera större mängder värmeenergi än syre- och kvävemolekyler.
Metangas, som är en 20 gånger mer potent växthusgas än koldioxid, består av en kolatom och fyra väteatomer. Atomerna i en metangas-molekyl kan röra sig ännu mer och på många fler olika sätt än atomerna i en koldioxidmolekyl, och därav kan metangas absorbera ca 20 gånger mer värmeenergi än koldioxid.
En mer fullständig förklaring av växhuseffekten
Det är i själva verket lite mer komplext än beskrivet ovan pågrund av att atmosfären är 800 km tjock och består av olika gasmolekyler. Syre- och kvävemolekyler kan inte absorbera (blockering in nedanstående bild) IR-strålning (värmeenergi) medan koldioxid och metan kan det, men dock inte alla våglängder av IR-strålning. Atmosfären har ett så kallat IR-fönster, inom vilket syre- och kvävemolekyler hamnar, som släpper igenom IR-strålning för våglängder mellan 8 och 14 mikrometer. IR-strålning eller värmestrålning ligger total mellan 0,7 till 1000 mikrometer, så det så kallade IR-fönstret i atmosfären är med andra ord väldigt litet. Hade inte syre- och kvävemolekyler befunnit sig i detta fönster hade temperaturen på jorden varit liknande den på Venus med flera hundra grader Celsius. Atmosfären har fönster för fler våglängder än infrarött, som ett fönster för synligt ljus och ett för radiovågor.
All elektromagnetisk strålning består av vågor där varje våglängd kan beskrivas av ett vågtal, vilket motsvarar en våglängd enligt förhållandet: vågtal = 2*pi dividerat med våglängden.
För molekyler som svänger eller vibrerar kan den periodiska svängningen beskrivas med en våg, vilket innebär att vågen har ett vågtal, k. För växthusgaser brukar vågtalet användas för att beskriva vågen, där vissa vågtal innebär en våglängd som hamnar inom IR-fönstret. Eftersom syre- och kvävemolekyler bara kan svänga på ett, sätt har dessa molekyler bara ett vågtal och vågtalen för syre- och kvävemolekyler hamnar inom IR-fönstret. Koldioxidmolekyler kan svänga på fyra olika sätt, varav koldoxid har fyra vågtal. Ett vågtal hamnar inom IR-fönstret som släpper igen värmestrålning samt tre vågtal hamnar utanför IR-fönstret, så dessa molekyler absorberar värmestrålning. Metan kan svänga på nio olika sätt och har därmed nio vågtal. Två vågtal befinner sig inom IR-fönstret medan sju vågtal absorberar värmestrålning. Av detta kan även förstås varför metan arsorberar mer värmestrålning än koldioxid.
Beräkning av egenfrekvenser och vågtal för koldioxidmolekylen