温室效应是指大气中的成分通过吸收和发射热辐射，使行星表面及低层大气变暖的现象。在地球上，当地表温度一定时，温室气体和云会减少逸向太空的辐射，使地表比没有这些作用时更温暖。这一自然过程对地球的气候至关重要；人类排放使温室效应增强，是现代气候变化的主要原因之一。(ipcc.ch)
物理机制
太阳主要以短波电磁辐射的形式提供能量。其中一部分被云、大气颗粒和地表反射，其余则被地球大气层和地面吸收。受热的地表会发射波长更长的红外辐射。温室气体吸收特定波段内的辐射，并向上、向下发射热辐射。大气向下发射的辐射减少了地表通过辐射损失的净能量，有助于维持地表温度。(science.nasa.gov)
吸收能力取决于分子的结构，以及其转动和振动状态所允许发生的变化。二氧化碳、甲烷和水蒸气与地球热辐射光谱中的部分波段有很强的相互作用，而大气中占主导地位的氮气和氧气在这些波段的吸收能力很弱。因此，仅凭一种气体在大气中的含量，无法判断它对温室效应的重要程度。云中的液滴和冰晶也会吸收和发射红外辐射。(giss.nasa.gov)
温室效应涉及辐射穿过多个大气层的辐射传输过程，并不是辐射被上方的一道屏障简单地反射回来。在大气吸收较强的波段，到达太空的辐射通常来自地表上方。温室气体浓度增加可使有效辐射高度上升。由于低层大气的温度通常随高度增加而降低，这些更高的大气层起初会发射更少的能量，从而造成能量失衡，推动升温。(history.aip.org)
能量平衡与自然增暖
地球能量收支描述了吸收的太阳辐射与向外发射的热辐射之间的平衡。在理想化的平衡状态下，两者相等。采用地球当前近似的反照率，即反射能力，进行简单计算，可得有效辐射温度约为255开尔文，也就是−18°C。通常采用的全球平均地表温度近似值为288 K，即15°C。两者之间约33°C的差值体现了自然温室效应。(science.nasa.gov)
这种比较并不能精确预测没有大气的地球会有怎样的温度：移除大气中的气体，还会改变云、冰覆盖、反射能力和热量输送。同样，有效辐射温度也不等于温度随空间位置变化的地表的平均温度。这种比较体现了一个基本区别：与行星向外辐射相对应的温度，与近地面更温暖的状况并不相同。(giss.nasa.gov)
温室效应不会创造能量，也不违反热力学规律。地表与大气之间存在双向的能量交换，而行星最终仍会向太空释放能量。对流和蒸发也会向上输送能量，并参与决定大气温度随高度的分布；在符合实际的计算中，必须将这些过程与辐射一并考虑。(science.nasa.gov)
气体、云与反馈
水蒸气是自然温室效应的重要贡献因素。其在大气中的浓度很大程度上取决于温度和水循环。升温通常会增加大气中的水汽含量，从而增强红外吸收，并放大最初的升温。这是一种正反馈，而不是对长寿命温室气体所引起的持续升温的独立解释。(ipcc.ch)
二氧化碳的情况则不同，其含量由排放和碳循环中的交换过程决定，而不是由快速的凝结和降水过程决定。甲烷、氧化亚氮、臭氧以及人工制造的含卤气体也会产生温室效应。由于吸收光谱、浓度、在大气中的存留时间及化学相互作用不同，它们的影响也各不相同。吸收波段相互重叠，意味着如果不明确核算方法，就不能总是将各气体的贡献直接相加，或为其分配唯一确定的贡献百分比。(ipcc.ch)
云具有相互竞争的作用：它们反射入射的太阳辐射，倾向于使地球降温；同时又吸收向外传播的红外辐射，倾向于使地球变暖。云的总体影响取决于其高度、厚度、覆盖范围和粒子特性。云、大气水汽和地表反射能力的变化，是气候模型所描述的气候反馈的重要组成部分。(ipcc.ch)
人类活动的增强作用与观测证据
工业化以来，化石燃料的燃烧、包括毁林在内的土地利用变化，以及其他活动，提高了温室气体浓度。由此造成的行星能量平衡变化称为辐射强迫。温室效应引起的增暖被一些降温作用部分抵消，其中尤以某些大气气溶胶的作用较为显著；观测到的气候响应反映了这些影响与反馈、自然变率的共同作用。(ipcc.ch)
相关证据来自实验室吸收测量、大气观测、卫星辐射测量，以及地表和海洋温度记录。这些证据从相互补充的角度检验了温室效应机制及其对气候的影响。政府间气候变化专门委员会在2023年综合报告中得出结论：人类活动，主要是温室气体排放，毫无疑问地导致了全球变暖；2011—2020年的全球地表温度比1850—1900年约高1.1°C。(ipcc.ch)
历史发展与术语
约瑟夫·傅里叶在19世纪20年代提出，大气有助于解释地球为何如此温暖。1856年，尤妮斯·牛顿·富特报告了比较不同气体在阳光下受热情况的实验，并提出富含二氧化碳的大气会更温暖。约翰·廷德尔于1859年进行的实验直接证实了水蒸气、二氧化碳等气体对红外辐射的吸收。1896年，斯万特·阿伦尼乌斯计算了大气中二氧化碳含量的变化如何改变地表温度。(history.aip.org)
“温室效应”这一名称是一种类比，并非对园艺温室的精确描述。玻璃温室之所以升温，很大程度上是因为它限制了内部受热空气与外部较冷空气之间的交换。大气温室效应则涉及红外辐射的吸收和发射，以及与之耦合的大气热量输送。(history.aip.org)