اثر گلخانه ای فرآیندی است که بطور طبیعی وجود دارد و به گرم کردن سطح زمین و اتمسفر کمک می کند. اثر گلخانه ای بدان علت بوجود می آید که برخی از گازهای اتمسفری مانند دی اکسیدکربن، بخار آب و متان قادر هستند بوسیله جذب تابش موج بلند منتشر شده از سطح زمین، تعادل انرژی کره زمین را تغییر دهند. بدون اثر گلخانه ای احتمالا حیاتی روی کره زمین وجود نداشت زیرا متوسط درجه حرارت زمین در عوض ۱۵ درجه سلسیوس، C^۱۸- می شد.

هنگامی که انرژی حاصل از خورشید از میان اتمسفر عبور می کند چند چیز اتفاق می افتد. بخشی از انرژی بوسیله ابرها و دیگر ذرات اتمسفری به فضا بازتاب یا منعکس می شود. در حدود ۱۹ درصد انرژی موجود بوسیله ابرها، گازها (مانند اوزن) و ذرات در اتمسفر جذب می شود. از ۵۵درصد انرژی خورشیدی باقیمانده که از میان اتمسفر زمین عبور می کند ۴درصد از سطح به فضا منعکس می شود. بطور متوسط درحدود ۵۱درصد تابش خورشید به سطح می رسد. سپس این انرژی در چند فرآیند بکار می رود از جمله گرم شدن سطح زمین، ذوب یخ و برف و تبخیر آب و فتوسنتز گیاهی.

گرم شدن زمین بوسیله نور خورشید موجب می شود که سطح زمین یک تابشگر انرژی در باند موج بلند (گاهی تابش مادون قرمز نامیده می شود) باشد. این انتشار انرژی معمولا به سمت فضا است. گرچه فقط بخش کوچکی از این انرژی واقعا به فضا باز می گردد. بخش اعظم تابش مادون قرمز بیرون رونده بوسیله گازهای گلخانه ای جذب می شود.

جذب تابش موج بلند بوسیله اتمسفر باعث می شود که انرژی گرمایی اضافی به سیستم اتمسفر زمین اضافه شود.مولکول های گاز گلخانه ی اتمسفری که اکنون گرمتر هستند شروع به تابش انرژی موج بلند در همه جهات می کنند. بیش از ۹۰درصد این انتشار انرژی موج بلند به سطح زمین می رسد که در آن بار دیگر بوسیله سطح جذب می شود. گرم شدن زمین بوسیله تابش موج بلند باعث می شود که سطح زمین بار دیگر تابش کند و سیکلی که شرح داده شده دوباره و دوباره تکرار شود تا آن که هیچ موج بلندی برای جذب در دسترس نباشد.

مقدار انرژی گرمایی که بوسیله اثر گلخانه ای به اتمسفر اضافه می شود بوسیله غلظت گازهای گلخانه ای در اتمسفر زمین کنترل می شود. از شروع انقلاب صنعتی، غلظت همه گازهای گلخانه ای اصلی افزایش یافته است. در نتیجه این غلظت های بالاتر، دانشمندان پیش بینی می کنند که اثر گلخانه ی تشدید خواهد شد و آب و هوای زمین گرمتر خواهد شد.

پیش بینی مقدار گرم شدن بوسیله مدل سازی رایانه ای انجام می شود.مدل های کامپیوتری حاکی از آن است که دو برابر شدن غلظت گاز گلخانه ای اصلی یعنی دی اکسیدکربن ممکن است متوسط درجه حرارت کره زمین را بین یک الی ۳۰ درجه سانتیگراد بالا ببرد. گرچه معادلات عددی مدل های رایانه ای اثرات چند بازخورد منفی ممکن را شبیه سازی نمی کنند. برای مثال بسیاری از مدل ها نمی توانند اثرات منفی افزایش پوشش ۱ برابر تعادل تابش یک زمین گرمتر را شبیه سازی کنند.

افزایش دمای زمین باعث می شود که اقیانوس ها مقادیر بیشتری از آب را تبخیر کنند در نتیجه اتمسفر ابر بیشتری را در خود جای دهد. سپس این ابرهای اضافی بخش بزرگتری از انرژی خورشید را به فضا بازتاب می کنند در نتیجه مقدار تابش خورشیدی جذب شده بوسیله اتمسفر و سطح زمین کاهش می یابد. هنگامی که انرژی خورشیدی کمتری به سطح جذب شود، اثرات گلخانه ای تشدید شده ممکن است خنثی شود.

برخی از گازها که در اثر فعالیت های انسان اثر گلخانه ای را تشدید می کنند عبارتند از دی اکسید کربن (CO۲)، متان (CH۴)، اکسیدنیترو (N۲O)، کلروفلوئور کربن ها (CFXCLX) و ازن تروپوسفوری (O۳). از میان این گازها، مهمترین گاز، دی اکسیدکربن است که علت ۵۵درصد تغییر در شدت اثر گلخانه ای زمین است. همچنین کلروفلوئور کربن ها علت ۲۵درصد تغییر در شدت اثر گلخانه ای، متان علت ۱۵درصد تغییر و اکسیدنیترو علت ۵درصد تغییر در شدت اثر گلخانه ای است. نقش ازن در تقویت اثر گلخانه ای باید اندازه گیری شود.

متوسط غلظت دی اکسید کربن اتمسفری در سال ۲۰۰۵ در حدود ۳۸۰ واحد در میلیون بود. قبل از سال ۱۷۰۰، سطح دی اکسید کربن در حدود ۲۸۰ واحد در میلیون بود. این افزایش دی اکسید کربن اتمسفر عمدتاً ناشی از فعالیت های انسان است. تغییرات اجتماعی که به وسیله انقلاب صنعتی در ۱۷۰۰آغاز شد مقدار ورود دی اکسید کربن به اتمسفر را افزایش داد. منابع اصلی این گاز شامل احتراق سوخت فسیلی برای صنعت، حمل ونقل، گرم کردن فضا، تولید برق وپخت و پز بود. انتشار گازهای حاصل از احتراق سوخت فسیلی در حدود ۶۵ درصد دی اکسید کربن اضافی که اکنون در اتمسفر یافت می شود را به وجود آورد. باقیمانده ۳۵درصد دی اکسید کربن اضافی از نابودی جنگل ها، و تبدیل جنگل ها و بیشه ها به سیستم های کشاورزی ناشی می شود. اکوسیستم های طبیعی ۲۰ الی ۱۰۰برابر سیستم های کشاورزی می توانند دی اکسید کربن در هر و احد مساحت نگه دارند.

کلروفلوئورکربن های بطور مصنوعی ایجاد شده نیرومندترین گاز گلخانه ای در هر مولکول هستند. گرچه غلظت های پایین در اتمسفر اهمیت کلی آنها در تشدید اثر گلخانه ای را کاهش می دهد. اندازه گیری های اخیر در اتمسفر نشان می دهد که غلظت این مواد شیمیایی ممکن است به علت کاهش انتشار به زودی کم شود. گزارش های توسعه سوراخ ازن در قطب شمال و جنوب و کاهش عمومی مقدار ازن استراتوسفر درسطح جهانی در دو دهه گذشته باعث شده است که بسیاری از کشورها تولید خود و استفاده از این مواد شیمیایی را کاهش دهند. در سال ۱۹۸۷، امضا موافقت نامه پروتکل مونترال به وسیله چهل و شش کشور، یک جدول زمانی فوری برای کاهش جهانی تولید ومصرف کلروفلوئورکربن ها تعیین نمود.

از سال ۱۷۵۰، غلظت های متان در اتمسفر بیش از ۱۵درصد افزایش یافته است. منابع اصلی متان اضافی وارد شده به اتمسفر عبارتند از کشت برنج، حیوانات چرنده خانگی، ترمیت ها، گورستان دفن زباله، معدن ذغال سنگ واستخراج نفت و گاز است. شرایط هوازی زیر آب رفتن شالیزار برنج موجب ایجاد گاز متان می شود. گرچه بدست آوردن برآورد دقیق مقدار متان تولید شده از شالیزارهای برنج دشوار است. بیش از ۶۰ درصد همه شالیزارهای برنج در هند و چین وجود دارند که اطلاعات علمی در مورد میزان انتشارها در این دو کشور در دسترس نیست. با این وجود دانشمندان معتقدند که مشارکت شالیزارهای برنج بزرگ است زیرا این شکل تولید محصول از سال ۱۹۵۰ دو برابر شده است.

حیوانات چرنده در نتیجه هضم علف متان به محیط آزاد می کنند. برخی محققان معتقدند که افزایش متان از این منبع در قرن گذشته چهار برابر شده است. ترمیت ها نیز از طریق فرآیندهای مشابه متان آزاد می کنند. تغییر کاربری زمین در نواحی گرمسیر به علت از بین بردن جنگل، دامپروری و دامداری ممکن است باعث افزایش تعداد ترمیت ها شود. اگر این فرض درست باشد، مشارکت این حشرات ممکن است مهم باشد.همچنین متان از محل های دفن زباله، معادن ذغال سنگ و حفاری نفت و گاز آزاد می شود. در محل های دفن زباله هنگامی که پسماندهای آلی در طول زمان تجزیه می شوند متان تولید می شود. نهشته های گاز طبیعی، نفت و زغال سنگ هنگامی که استخراج شوند متان تولید می کنند.

اکنون متوسط غلظت اکسید نیترو در اتمسفر با نرخ ۲/۰ الی ppm۳/۰ در سال افزایش می یابد. منابع برای این افزایش شامل تبدیل کاربری زمین، احتراق سوخت فسیلی، سوختن بیومس و کود زدن به خاک است. بیشتر اکسید نیترو که هر ساله به اتمسفر اضافه می شود از نابودی جنگل ها و تبدیل اکوسیستم های جنگل، ساوانا و علفزار به زمین های کشاورزی و چراگاه ها حاصل می شود. این فرآیندها مقدار نیتروژن ذخیره شده در گیاهان زنده و خاک را از طریق تجزیه ماده آلی کاهش می دهد. همچنین هنگامی که سوخت های فسیلی و بیومس می سوزد، اکسید نیترو به اتمسفر آزاد می شود. گرچه تصور می شود که مشارکت این منابع در افزایش این گاز در اتمسفر ناچیز باشد. مصرف کودهای آمونیوم و نیترات برای تقویت رشد گیاه منبع دیگر اکسید نیترو است. اندازه گیری دقیق مقدار اکسیدنیترو آزاد شده از کود دشوار است. برآوردها حاکی از آن است که این منبع ۵/۰درصد الی ۲/۰درصد اکسیدنیترو اضافه شده به اتمسفر را تأمین می کند.

تعیین نقش ازن بطور علمی در تقویت اثر گلخانه ای دشوار است. اندازه دقیق مقادیر آن در اتمسفر در گذشته دور (بیش از ۲۵سال گذشته) در دسترس نیست. غلظت های گاز ازن در دو منطقه مختلف اتمسفر زمین معلوم شده است. بیشتر ازن یافت شده در اتمسفر در استراتوسفر در ارتفاع ۱۵ الی ۵۵ کیلومتری بالای سطح زمین وجود دارد. در سال های اخیر، به علت انباشته شدن کلروفلوئور کربن ها در اتمسفر، غلظت ازن استراتوسفری کاهش یافته است. از اواخر دهه ۱۹۷۰ دانشمندان کشف کرده اند که مقادیر نستون کامل ازن در آمریکا در زمان بهار ۷۰درصد کاهش یافته است. اندازه گیری های ماهواره ای نشان داده است که از سال ۱۹۷۸ مقدار ازن منطقه استراتوسفر از عرض جغرافیایی ^۶۵ شمال تا ^۶۵ جنوب ۳درصد کاهش یافته است. همچنین ازن در سطح زمین بسیار متمرکز شده است. بیشتر این ازن به صورت یک محصول جانبی مصنوعی مه دود فتوشیمیایی ایجاد شده است.

بطور خلاصه اثر گلخانه ای باعث می شود که اتمسفر بوسیله جذب و تابش مجدد انرژی موج بلند، انرژی گرمایی بیشتری را در سطح زمین و در اتمسفر به دام بیندازد ۹۰ درصد انرژی موج بلند که دوباره به فضا منتشر می شود بوسیله گازهای گلخانه ای جذب می شود. بدون اثر گلخانه ای متوسط دمای کره زمین ۱۸- درجه سانتیگراد می شد.

در چند قرن گذشته فعالیت های انسان بطور مستقیم و غیرمستقیم باعث افزایش غلظت گازهای گلخانه ای شده است. دانشمندان پیش بینی می کنند که این افزایش ممکن است اثر گلخانه ای را تشدید کند در نتیجه کره زمین گرمتر شود. برخی کارشناسان برآورد می کنند که متوسط دمای کره زمین هم اکنون ۳/۰ الی ۶/۰درجه سانتیگراد از شروع این قرن افزایش یافته است. پیش بینی های آب و هوا در آینده نشان می دهد که در اواسط قرن آینده دمای کره زمین ممکن است یک الی ۳ درجه سانتیگراد گرمتر از امروز باشد.