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太阳是地球大气系统的主要能量来源。太阳发出的短波辐射包括紫外线、可见光和近红外线。这些辐射以电磁波的形式传播，穿越太空到达地球大气层的顶部。当太阳辐射进入大气层时，会与大气中的各种成分发生相互作用。
当太阳短波辐射进入大气层后，会经历复杂的削弱过程。在平流层，臭氧分子强烈吸收紫外线辐射，保护地面生物免受有害紫外线伤害。在对流层中，大气分子会散射部分辐射，云层也会反射一部分辐射回太空。经过这些削弱过程，最终只有约50%的太阳辐射能够到达地面。
到达地面的太阳短波辐射被地表吸收后，地面温度开始升高。根据物理学定律，任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射电磁波。受热后的地面开始向外发射长波辐射，主要是红外线。这些长波辐射的波长比太阳短波辐射要长得多，这是地球能量系统中的重要转换环节。
地面发射的长波辐射进入大气层后，会被大气中的温室气体强烈吸收。二氧化碳是最重要的温室气体之一，它能够强烈吸收红外线辐射。水汽也是重要的温室气体。当这些气体分子吸收长波辐射后，分子的振动和转动能量增加，大气温度因此升高。这就是温室效应的核心物理机制。
受热的大气会向各个方向发射长波辐射。一部分辐射向上发射到太空，另一部分向下发射回地面，这就是大气逆辐射。大气逆辐射对地面起到重要的保温作用，使地表温度比没有大气时要高约33摄氏度。这个完整的过程形成了地球的能量平衡，维持了地表适宜生命存在的温度环境。这就是大气受热过程的全貌。