สมดุลพลังงานของโลก เป็นสมดุลพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่โลกได้รับ เมื่อเทียบกับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่โลกคายกลับสู่อวกาศ สมดุลพลังงานของโลกเกิดจากการรับและการคายกลับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งช่วงคลื่นสั้น (0-4µm) และช่วงคลื่นยาว (ยาวกว่า4µm) ซึ่งแยกได้ 2 ส่วนคือ ก) สมดุลพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นสั้น และ ข) สมดุลพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นยาว
สมดุลพลังงานคลื่นสั้น (0-4µm)
พลังงานคลื่นสั้น (0 – 4µm) มาจากดวงอาทิตย์ เมื่อกำหนดให้พลังงานคลื่นสั้นที่ตกกระทบบรรยากาศโลกมีค่า 100 % การถ่ายเทพลังงานคลื่นสั้นเกิดจากหลายกระบวนการ คือ การสะท้อนพลังงาน การส่งผ่านพลังงาน การดูดกลืนพลังงาน และการแผ่รังสีกลับออกมา
กระบวนการต่าง ๆ ในบรรยากาศสรุปได้ดังนี้
- โอโซนในสตราโตสเฟียร์ ดูดแสงช่วงอุลตราไวโลเลตไว้ 2 %
- เมฆในบรรยากาศชั้นสตาโตสเฟียร์ สะท้อนคลื่นสั้นกลับออกไป 23 %
- โมเลกุลของก๊าซและฝุ่นในสตราโตสเฟียร์ สะท้อนคลื่นสั้นกลับออกไป 6 %
- ผิวโลกสะท้อนรังสีคลื่นสั้นกลับออกไป 7 %
- ก๊าซในบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ดูดกลืนพลังงานไว้ 15 %
ดังนั้นพลังงานคลื่นสั้นที่ตกกระทบผิวโลกเท่ากับ 47 % แบ่งเป็นพลังงานจากรังสีแสงอาทิตย์โดยตรง 31 % (Direct Radiation) และพลังงานจากรังสีสะท้อน ซึ่งเกิดจากการกระจายแสงในบรรยากาศของท้องฟ้าที่เป็นสีฟ้า จำนวน 16 %
สมดุลพลังงานคลื่นยาว (ยาวกว่า4 µm)
เมื่อบรรยากาศและผิวโลกดูดรังสีดวงอาทิตย์คลื่นสั้น บรรยากาศและผิวโลกจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น และคายรังสี/คลื่นความร้อน ซึ่งอยู่ในรูปของคลื่นรังสีอินฟราเรด หรือคลื่นยาว ที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 4 µm กลับออกสู่อวกาศบางส่วนและผิวโลกบางส่วน การดูดกลืนรังสีและการคายรังสีนี้ เป็นการรักษาสมดุลพลังงาน สเปคตรัมของการแผ่รังสีความร้อนจากบรรยากาศและจากผิวโลก จึงขึ้นกับอุณหภูมิของบรรยากาศและผิวโลก
สมดุลพลังงานคลื่นยาวสามารถสรุปได้ดังนี้
ไอน้ำและก๊าซในชั้นโตรโปสเฟียร์ แผ่รังสีคลื่นยาว 98 % รังสีที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 4 µm ส่วนหนึ่งคือ รังสีช่วงความยาวคลื่น 8-13µm สามารถผ่านทะลุชั้นบรรยากาศออกสู่อวกาศโดยตรง
รังสีคลื่นยาว ที่แผ่รังสีไปสู่อวกาศ มีจำนวน 7 % เนื่องจากบรรยากาศยอมให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วง 8-13µm ส่องผ่านทะลุโดยไม่ดูดกลืนรังสี หรือเรียกว่าบรรยากาศโปร่งใสต่อคลื่นช่วงนี้ จึงไม่ดูดกลืนไว้ เรียกว่า Atmospheric Window
การพาความร้อนจากผิวโลกสู่โตรโปสเฟียร์โดยการเคลื่อนที่ของบรรยากาศ 22 % การนำความร้อนจากผิวโลกสู่โตรโปสเฟียร์ 5 % เนื่องจากบรรยากาศชั้นโตรโปสเฟียร์ได้รับพลังงานคลื่นสั้น 15 % และพลังงานคลื่นยาว 118 % ส่วนชั้นสตราโตสเฟียร์ได้รับรังสีคลื่นสั้น 2 % รวมพลังงานที่บรรยากาศไว้ทั้งหมด 135 % บรรยากาศดูดกลืนพลังงานและมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น จึงแผ่รังสีคลื่นยาวออกไปสู่อวกาศ 57 % และกลับสู่ผิวโลก 78 %
การแผ่รังสีคลื่นยาวที่ผิวโลกกลับขึ้นไปในชั้นบรรยากาศและอวกาศ และรังสีคลื่นยาวที่บรรยากาศแผ่กลับลงมายังผิวโลก ทำให้อุณหภูมิโลกสมดุล และให้ความอบอุ่นในเวลากลางคืนแม้ว่าจะไม่มีแสงอาทิตย์ ดังรูป