La temperatura media, nella lunga storia della Terra, non è rimasta costante, ma ha avuto diverse oscillazioni, con periodi più caldi e periodi più freddi. Ma le variazioni rispetto alla temperatura attuale sono state soltanto di pochi gradi in più o in meno. Perciò possiamo affermare che la temperatura della Terra è rimasta fondamentalmente stabile durante gli ultimi 3 miliardi di anni e questo ha consentito lo sviluppo rigoglioso della vita, perché il nostro pianeta è rimasto in equilibrio energetico con lo spazio circostante. In altri termini la Terra riemette nello spazio la stessa quantità di energia che riceve.
Come ha fatto la Terra a mantenere costante la sua temperatura pur ricevendo continuamente energia dal Sole? Per non surriscaldarsi, la Terra deve essere in equilibrio energetico con lo spazio circostante. In altri termini la Terra deve disperdere nello spazio la stessa quantità di energia che riceve. Sappiamo anche dalla Fisica che, siccome la Terra è immersa nel vuoto interplanetario, gli scambi energetici possono avvenire esclusivamente per mezzo della radiazione elettromagnetica. Gli altri due sistemi per trasferire energia, il contatto e la convezione, non sono evidentemente possibili a causa della mancanza di materia nel vuoto interplanetario. Praticamente l’unica fonte esterna di energia per la Terra è il Sole. Infatti, la quantità di energia che la Terra riceve da tutti gli altri corpi celesti è estremamente ridotta e perciò trascurabile rispetto alla quantità di energia di origine solare. Il Sole, che ha una temperatura superficiale di circa 6000 °K, in base alla legge di Wien emette quasi tutta la sua energia nella componente visibile (tra 0,4 e 0,8 m per il 46,3% del totale) e in quella dell’infrarosso vicino (tra 0,8 e 2,2 m per il 42,7% del totale). Dato che la radiazione viene emessa in tutto lo spazio, solo una piccola parte della radiazione totale emessa dal Sole arriva alla Terra. Circa il 20% di questa viene riflesso di nuovo nello spazio interplanetario, mentre il resto attraversa abbastanza facilmente l’atmosfera che comunque ne intercetta una parte. Vi è infatti il fenomeno dell’assorbimento della luce da parte dei componenti dell’atmosfera. Abbiamo già studiato che la radiazione UV viene assorbita quasi interamente dall’ozonosfera, mentre la radiazione visibile è assorbita solo parzialmente dagli altri gas atmosferici. Accanto all’assorbimento vi è il fenomeno della diffusione della luce da parte delle molecole dell’aria, del vapore acqueo e del pulviscolo che costituisce l’aerosol atmosferico. Una parte di questa luce diffusa viene anch’essa assorbita dai componenti dell’atmosfera. In ogni caso la frazione della radiazione solare che resta e che giunge al suolo viene assorbita completamente dal terreno, dalle piante, dagli oceani e da tutti gli altri corpi che formano la superficie terrestre e si trasforma in calore. In questo modo la Terra si riscalda e alla fine tutta la radiazione elettromagnetica del Sole viene trasformata in calore.
La Terra, come tutti i corpi che hanno una temperatura superiore allo zero assoluto, emette nello spazio energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Però la radiazione emessa, dato che la temperatura della Terra raramente supera i 30 °C, è costituita da un insieme di lunghezze d’onda ben maggiori di quelle della luce solare. L’energia emessa dai materiali terrestri (suolo, acqua, aria, nubi, esseri viventi ecc.) è quasi tutta compresa nella banda dell’infrarosso tra i 5 e i 20 m, con il massimo attorno ai 10 m.
Diversamente da quanto avviene per la luce visibile, la radiazione infrarossa viene assorbita facilmente dai componenti dell’atmosfera, in modo particolare dal vapore acqueo e dalla CO2, facendo sì che l’atmosfera si riscaldi e che l’energia venga trattenuta per un certo tempo nel «sistema Terra». La temperatura sulla Terra è quindi maggiore di quella che avremmo in assenza di atmosfera. Il fenomeno che abbiamo descritto viene indicato dagli scienziati con il termine effetto serra ed è di fondamentale importanza per determinare le caratteristiche termiche della Terra.
Si chiama «effetto serra» perché è equivalente a quello prodotto dai vetri delle serre dei floricoltori. Infatti i vetri delle serre sono molto trasparenti alla radiazione solare incidente, ma lo sono molto meno a quella di maggior lunghezza d’onda, emessa dai corpi presenti nella serra. Le serre funzionano quindi da accumulatori di calore e sono molto utili quando la temperatura dell’aria è bassa. Sappiamo che la Terra mantiene costante la sua temperatura per cui, per rimanere in equilibrio termico, deve emettere nello spazio, che funziona da «pozzo» che riceve tutta l’energia che vi si immette, una quantità di energia almeno pari a quella ricevuta dal Sole. Questa riemissione è ritardata dall’effetto serra che trattiene per un certo tempo l’energia ricevuta dal Sole sotto forma di calore all’interno dei componenti del nostro pianeta (il suolo, le acque e l’atmosfera), i quali assumono così una temperatura sufficientemente alta da essere adatta al mantenimento della vita sulla Terra. Abbiamo a disposizione un esempio di quello che sarebbe la Terra se non avesse un’atmosfera capace di produrre l’effetto serra ed è costituito dalla Luna. Il nostro satellite riceve praticamente la stessa quantità di energia per unità di superficie rispetto alla Terra, perché si trova alla stessa distanza dal Sole. Però la sua temperatura superficiale oscilla tra i +100 °C nell’emisfero illuminato e i –150 °C nell’emisfero in ombra; la temperatura della Luna ha quindi un valore medio di –25 °C. Troveremmo circa lo stesso valore medio sulla Terra se questa non avesse l’atmosfera che, intrappolando energia solare per mezzo dell’effetto serra, mantiene la temperatura a un livello più confortevole.
Perché nell’atmosfera terrestre si manifesti l’effetto serra ha una grande importanza anche la composizione chimica dell’atmosfera. Se l’atmosfera fosse costituita esclusivamente da azoto e ossigeno, questi gas non assorbirebbero se non in quantità minima la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre. In conseguenza di ciò la temperatura sarebbe ben più bassa di quella attuale, perché la dispersione dell’energia nello spazio sarebbe più veloce. Se viceversa aumentasse la concentrazione dei cosiddetti «gas serra», cioè della CO2 e di altri «inquinanti» atmosferici, anche la capacità di intrappolare energia da parte dell’atmosfera aumenterebbe, col risultato che la temperatura della Terra tenderebbe a salire. Inoltre la temperatura elevata provocherebbe una maggior evaporazione, con il conseguente aumento della concentrazione del vapore acqueo atmosferico. Questo a sua volta farebbe aumentare la capacità dell’atmosfera di assorbire la radiazione infrarossa, con conseguente aumento della temperatura, e così via. A un certo punto si raggiungerebbe l’equilibrio, ma a una temperatura media ben superiore a quella attuale. Proprio perché vi sono questi pericoli, oggi si discute così tanto dell’inquinamento atmosferico e dell’effetto serra.