溫室效應是地球大氣層的一個重要功能，它就像是具有“保溫”作用的“棉被”或溫室大棚，可保護地球，使之保持溫暖。如果地球沒有大氣層或溫室效應地球表面的平均溫度是攝氏-18度，而非現在的攝氏15度。
大氣層和溫室效應的另一個功能是可以穩定地球表面的溫度，使我們能居住在一個相對穩定的溫度環境裡。如果沒有大氣層或溫室效應，晝夜的溫差會很大。例如，月球表面由於沒有大氣層，白天在陽光垂直照射的地方溫度高達127攝氏度，而夜晚溫度則可降到零下183攝氏度。
而地球的情況則完全不同：白天，太陽光照射到地球上，大約一半的太陽輻射會被地球表面吸收並使之增溫，其它則被反射回宇宙。夜晚，地球表面則以紅外線的方式向宇宙散發白天吸收的熱量，其中也有一部分會被大氣層吸收，使氣溫不至於降得過低。
總體上來看，太陽輻射照射到地球以後，除極小一部分被地球吸收轉化為非熱能以外，大部分能量會被反射回太空。下圖中列出了在一年中地球吸收和反射太陽輻射能量的詳細過程和量值，可以看出地球吸收的能量與輻射的能量相等：
235 + 107 = 342 單位：每平米瓦 (W/m-2)
地球每年全球平均能量平衡估算 資料來源：IPCC
如果溫室效應的強度適當，地球吸收的能量與輻射的能量相等，則地球表面的平均溫度就會保持恆定，反之，地球表面的平均溫度就會有變化。如果溫室效應的強度過大，地球吸收的能量大於輻射的能量，則地球表面的平均溫度就會增加，導致全球暖化。
在潮濕的赤道地區，空氣中的水汽含量非常高，以致於溫室效應已經很強，因此增加少量的CO2或水汽對射向地表的紅外輻射量只有很小的直接影響。但是在冷而乾的極地地區，增加很少量的CO2或水汽會產生大得多的效應。同樣，冷而乾的大氣上層中增加少量水汽所產生的影響比在近地表增加同量水汽的影響要大得多。
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