温室效应是指地球大气层上的一种物理特性。假若没有大气层，地球表面的平均温度不会是现在合宜的15℃，而是十分低的-18℃。这温度上的差别是由于一些温室气体所导致，这些气体吸收红外线辐射而影响到地球整体的能量平衡。在现实生活中，地面和大气层在整体上吸收太阳辐射后能平衡于释放红外线辐射到太空外。但受到温室气体的影响，大气层吸收红外线辐射的分量多过它释放到太空外的，这就使地球表面温度上升，此过程可称为天然的温室效应。
太阳向宇宙空间发射电磁波和粒子流，地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的1/20亿，但却是地球大气运动的主要能量源泉。
到达大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。在地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全部总能量，称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/平方米。因观测方法和技术不同，得到的太阳常数值不同。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长（约3～120微米）小得多，所以，通常又称太阳辐射为短波辐射，称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。
天然温室效应示意图太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分被大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹，在可见光谱区减少至40％，而在红外光谱区增至60％。
太阳辐射是地球上的能量源泉，大气中发生的一切现象和过程，都与大气辐射能及其转化密切相关。太阳辐射要通过厚厚的大气才能到达地面，这样太阳辐射在地球表面和大气之间就进行着一系列的能量转换，从而形成地球表面复杂的大气热力状况，维持着地球表面的热量平衡。
夏季，有云的白天气温不会太高；农民用人造烟幕在晚秋或寒冬防御霜冻等等。地球上这些与人类生活和生产密切相关的大气现象，都与大气的热力作用有关。大气对太阳辐射具有削弱作用：1.吸收作用。太阳辐射到达大气上界，平流层中臭氧主要吸收紫外线，对流层中的水汽和二氧化碳等，主要吸收波长较长的红外线，但对占太阳辐射总能量50%的可见光却吸收很少，由此可见，大气直接吸收的太阳辐射能量很少，大部分可见光能够透过大气到达地面上来。从中可看出，大气对太阳辐射的吸收有选择性。2.反射作用。大气中的云层和尘埃，具有反光镜的作用，可以把投射其上的太阳辐射的一部分，又反射回宇宙空间。大气对太阳辐射的反射无选择性，任何波长都反射，所以，反射光呈白色云层越厚，表面越大，也就是云量越多，反射越强。这也就是夏季多云，白天的气温不会太高的原因。杂质颗粒越大，反射能力越强。3.散射作用。为什么晴朗的天空呈蔚蓝色？在教室里即使照不到阳光的地方也能比较光亮，这是何故呢？以上这两种现象都与大气的散射作用有关，但具体情况不同。当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时，太阳辐射中的一部分便以这些质点为中心向四面八方散射开来，改变太阳辐射的方向，从而使一部分太阳辐射不能到达地面。这种散射作用是有选择性的，波长愈短的光，越易被散射。在可见光中，蓝紫光波长最短，散射能力最强，所以，在晴朗的天空，特别是雨过天晴时，天空呈蔚蓝色。而另一种情况的散射作用的质点是颗粒较大的尘埃、雾粒、小水滴等，它们的散射无选择性，各种波长都散射，所以阴天天空呈白色。这种情况有日出前的黎明、日落后的黄昏等等。空气质点愈大，其散射能力愈大。
三种削弱作用都能削弱到达地面的太阳辐射，其中最显著的是反射作用。
太阳辐射被削弱的主要是波长较长的红外线、波长较短的紫外线及可见光的蓝光部分，而能量占大多数的可见光绝大部分能够透过大气层而到达地面，很显然，地表获得的太阳辐射比大气得到的多。大气对太阳辐射的削弱作用因纬度不同而有所差异，这主要跟太阳高度有关系。
太阳高度与太阳辐射经过大气路程长短的关系。太阳高度越大，太阳辐射经过的大气路程越短，被大气削弱得越少，到达地面的太阳辐射就越多；太阳高度越小，太阳辐射经过的大气路程越长，被大气削弱得越多，到达地面的太阳辐射就越少。
地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。地表面这种以其本身的热量日夜不停地向外放射辐射的方式，称为地面辐射。
由于地表温度比太阳低得多（地表面平均温度约为300K），因而，地面辐射的主要能量集中在1～30微米之间，其最大辐射的平均波长为10微米，属红外区间，与太阳短波辐射相比，称为地面长波辐射。
地面的辐射能力，主要决定于地面本身的温度。由于辐射能力随辐射体温度的增高而增强，所以，白天，地面温度较高，地面辐射较强；夜间，地面温度较低，地面辐射较弱。
地面的辐射是长波辐射，除部分透过大气奔向宇宙外，大部分被大气中水汽和二氧化碳所吸收，其中水汽对长波辐射的吸收更为显著。因此，大气，尤其是对流层中的大气，主要靠吸收地面辐射而增热。
大气吸收地面长波辐射的同时，又以辐射的方式向外放射能量。大气这种向外放射能量的方式，称为大气辐射。由于大气本身的温度也低，放射的辐射能的波长较长，故也称为大气长波辐射。
大气辐射的方向既有向上的，也有向下的。大气辐射中向下的那一部分，刚好和地面辐射的方向相反，所以称为大气逆辐射。大气逆辐射是地面获得热量的重要来源。由于大气逆辐射的存在，使地面实际损失的热量比地面以长波辐射放出的热量少一些，大气的这种保温作用称为大气的温室效应。这种大气的保温作用使近地表的气温提高了约18℃。月球则因为没有像地球这样的大气，因而，致使它表面的温度昼夜变化剧烈，白天表面温度可达127℃，夜间可降至-183℃。
地面和大气之间以长波辐射的方式进行着热量的交换，大气对地面起着保温作用。这种作用可用地面有效辐射（F0）表示：
F0=Fg-δEA
地面有效辐射就是地面辐射和地面所吸收的大气逆辐射（δEA）之间的差值。通常，地面温度高于大气温度，所以，地面辐射要比大气逆辐射强。
地面有效辐射的强弱随地面温度、空气温度、空气湿度及云况而变化。
（一）根据辐射强度的关系，地面温度增高时，地面辐射增强，如其他条件（温度、云况等）不变，则地面有效辐射增大。
（二）空气温度高时，大气逆辐射增强，如其他条件不变，则地面有效辐射减小。
（三）空气中含有水汽和水汽凝结物较多，则因水汽放射长波辐射的能力比较强，使大气逆辐射增强，从而也使地面有效辐射减弱。
（四）天空中有云，特别是有浓密的低云存在，大气逆辐射更强，使地面有效辐射减弱得更多。所以，有云的夜晚通常要比无云的夜晚暖和一些。云被的这种作用，我们也称之为云被的保温效应。
天文辐射的时空变化特点
天文辐射的时空变化特点是：全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；天文辐射夏大冬小，它导致夏季温高冬季温低。