L'effet de serre naturel. Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, une partie (environ 28,3 %) est directement réfléchie (renvoyée vers l'espace), par l'air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre (en particulier les régions blanches et glacées comme l'Arctique et l'Antarctique), c'est l'albédo (non représenté sur le schéma). Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7 %) et/ou la surface terrestre (51 %).

Cette dernière partie du rayonnement absorbée par la surface du sol lui apporte de la chaleur (énergie), qu'elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l'atmosphère sous forme de rayons infrarouges. C'est le « rayonnement du corps noir ». Ce rayonnement est alors absorbé en partie par les gaz à effet de serre, ce qui réchauffe l'atmosphère. Puis dans un troisième temps, cette chaleur est réémise dans toutes les directions, notamment vers la Terre.

C'est ce rayonnement qui retourne vers la Terre qui constitue l'effet de serre, il est à l'origine d'un apport supplémentaire de chaleur à la surface terrestre. Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d'abord à -18 °C. Puis, la glace s'étendant sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement à -100°C.

On peut considérer l'atmosphère comme un réservoir d'énergie. Si l'effet de serre est plus efficace pour retenir (en fait ralentir la déperdition de l'énergie) l'énergie, ce réservoir se remplit - et l'énergie emmagasinée par la surface terrestre augmente .

En moyenne, l'énergie venue de l'espace et reçue par la Terre, et l'énergie de la Terre émise vers l'espace sont quasiment égales. Si ce n'était pas le cas, la température de surface de la Terre augmenterait sans cesse ou diminuerait sans cesse. En effet, si les échanges moyens d'énergie avec l'espace ne sont pas équilibrés, il y aura un stockage ou un déstockage d'énergie par la Terre. Ce déséquilibre provoque alors un changement de température de l'atmosphère. L'effet de serre doit son nom à l'analogie entre l'atmosphère terrestre et une serre destinée à abriter des plantes. Les parois vitrées de la serre laissent entrer le rayonnement visible (qui transporte la majeure partie de l'énergie solaire) mais réfléchissent (ne laisse pas échapper) des rayonnements infrarouges, cause importante des pertes thermiques de tout corps (loi du corps noir). Le verre de la serre joue donc un rôle analogue à celui de l'atmosphère, qui contient les gaz à effet de serre.

Une représentation schématique des échanges d'énergie entre l'espace, l'atmosphère terrestre, et la surface de la Terre.

L'effet de serre renforcé. Actuellement ce phénomène naturel se renforce car la quantité de gaz à effet de serre (le dioxyde de carbone, le méthane, les oxydes d'azote, l'ozone et les hydrocarbures) a augmentée ces dernières années, en particulier le CO2, naturellement en très faible concentration dans l’atmosphère par rapport à la vapeur d’eau ou au diazote (N2). Cela a pour conséquence de déséquilibrer le bilan radiatif de la Terre. Cette augmentation des quantités de gaz à effet de serre est due à la combustion de matière carbonée fossile. Cela a été prouvé par l’étude isotopique du carbone dans l’air.

Selon les conclusions des scientifiques du GIEC dans leur rapport de 2001, la cause la plus probable de ce réchauffement dans la seconde moitié du XXe siècle serait le « forçage anthropique », c’est-à-dire l’augmentation dans l’atmosphère des gaz à effet de serre résultant de l’activité humaine. Il est prévu que le réchauffement planétaire se poursuive au cours du XXIe siècle mais l’amplitude de ce réchauffement est débattue. Selon les hypothèses retenues et les modèles employés, les prévisions pour les 50 années à venir vont de 1,8 à 3,4 °C.

Un forçage radiatif positif est un renforcement de l’effet de serre et un réchauffement, et un forçage radiatif négatif entraîne une refroidissement (augmentation de l’albédo). Ceci correspond à des calculs en tenant compte des concentrations dans l’atmosphère.

Les gaz à effet de serre sont des composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre. Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l'oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote, de formule N2O) et l'ozone (O3). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds (fluorocarbones chlorés incluant les CFC, les molécules de HCFC-22 comme le fréon et le perfluorométhane) et l'hexafluorure de soufre (SF6).

Contributions approximatives à l'effet de serre des principaux gaz :

• vapeur d'eau : 55 %
• dioxyde de carbone : 39 %
• ozone : 1 %
• méthane : 1 %
• oxyde nitreux : 4 %

Ces gaz ont pour caractéristique commune d'absorber une partie des infra-rouge émis par la surface de la Terre.

Le dioxyde de carbone (CO2) : Premier responsable du phénomène, il résulte essentiellement de la combustion des énergies fossiles et de la déforestation. Les rejets proviennent des besoins de l’industrie et de l’utilisation domestique de l’énergie (chauffage de l’habitat , cuisson, électricité,...) et des transports dont la responsabilité va en grandissant.

Le méthane (CH4) : L’agriculture est le secteur principal des rejets (extension des rizières, élevages). Le reste provient de la production et de la distribution de pétrole et de gaz, de l’extraction du charbon mais également des décharges.

Halocarbures (HFC, PFC, SF6) : Les HFC sont utilisés dans les systèmes de réfrigération et dans la climatisation - notamment automobile. Ils sont également employés dans les aérosols et les mousses isolantes. A poids équivalent, les gaz fluorés ont un pouvoir de réchauffement de 1300 à 24000 fois supérieur à celui du gaz carbonique.

Le protoxyde d’azote (N2O) : Il est essentiellement produit par l’agriculture, la combustion de la biomasse et des synthèses chimiques industrielles comme celle de l’acide nitrique.

En France, selon le groupe Facteur 4, les émissions de gaz à effet de serre proviennent des transports pour 26 %, suivis de l’industrie (22 %), de l’agriculture (19 %), des bâtiments et habitations (19 %), de la production et de la transformation de l’énergie (13 %), et du traitement des déchets (3 %). Depuis 1990, les émissions ont augmenté de plus de 20 % pour les transports et les bâtiments. En revanche, elles ont diminué de 22 % dans l’industrie, de 10 % dans le secteur agricole, de 9 % dans le secteur de l’énergie et de 8 % pour le traitement des déchets.