تتراوح التغيرات الجوية الاعظمية بشكل عام، بين المناطق القطبية (الثلجية) وبين المناطق ذات درجات الحرارة الاستوائية. وقد وجد تاريخياً أنه قد تحدث الكوارث الطبيعية الناتجة عن التغيرات المناخية بسبب التفاوت الطفيف لدرجات الحرارة عن معدلها السنوي العام تسعى عدة عوامل متداخلة للحفاظ على درجة حرارة سطح الأرض، داعمة بذلك بقاء الكائنات الحية، ويتم ذلك وفق آلية معقدة، وغير مفهومة بشكل كامل حتى وقتنا الحاضر. وسنشرح فيما يلي بعض النقاط الأساسية لهذه الآلية. يصل وسطياً إلى الغلاف الجوي الخارجي مقدار10³   xwatts/m2 1.34  (ما يعادل Kcal/m² 19.2 ) من أشعة الشمس في الحالة العمودية على سطح الأرض، وهو ما يعرف بثابت الطاقة الشمسية Solar constant ولو وصلت كل هذه الطاقة إلى سطح الأرض لتلاشت منذ زمن بعيد.

يصل إلى سطح الأرض جزء من إشعاع الطاقة الشمسية الداخل الى المجال الجوي إما بشكل مباشر أو بعد أن يتعرض لعملية تبعثر بواسطة جزيئات الغلاف الجوي أو الغازات. بذلك، ونتيجة لفلترة الأطوال الموجية القصيرة، تصل الى الأرض الإشعاعات ذات الأطوال الموجية الموافقة للأشعة تحت الحمراء والمرئية وحتى بعض الأطوال الموجية فوق البنفسجة (UV-A) . أما الجزء المتبقي، ما يعادل ثلث الأشعة الشمسية التي تصل إلى الأرض، فينعكس بشكل مباشر أو بعد امتصاصه من قبل جزيئات الغلاف الجوي ليتم إشعاعه لاحقاً بشكل اشعة تحت حمراء إلى الفضاء الخارجي. ولإبقاء التوازن الحراري للأرض فإن معظم الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض أو التي تمتص من جزيئات الغلاف الجوي تعود إلى الفضاء بشكل إصدارات ذات أطوال موجية طويلة نسبياً أشعة تحت الحمراء وأشعة حرارية). فإذا لم يتم الإصدار الأرضي المعاكس ترتفع درجة حرارة الأرض، التي تعتمد على كيفية تحقيق التوازن بين الطاقة الواردة والصادرة.

يتم بشكل عام الانتقال الطاقي عبر ثلاث طرائق رئيسة هي، التماس (Conduction)، وذلك بتفاعل أو تصادم الجسيمات المتجاورة دون انتقال كتلي، الطريقة الثانية الحمل الحراري (Convection)، وتتضمن انتقال كامل الكتلة الهوائية الدافئة أو الباردة، ويتم الانتقال الطاقي بواسطتها بتشكل بخار الماء وثم الإشعاع الى الفضاء الخارجي عند تكاثف هذه الأبخرة. وبذلك فإن نسبة كبيرة من الحرارة الواصلة الى سطح الأرض يتم انتقالها عن طريق التماس والحمل قبل أن يتم خسارتها ثانيةً الى الفضاء الخارجي بالإشعاع الطاقي (Radiation)، وهي الطريقة الثالثة للانتقال الطاقي، تتم في الغلاف الجوي عبر إشعاعات كهرطيسية ذات أطوال موجية تنتمي الى مجال الأشعة تحت الحمراء (2-40um)، وهي أكبر بكثير من الأطوال الموجية التي تجلب الطاقة الى الأرض (0.2-3um). بذلك فإن طريقة الإشعاع هي الطريقة التي يتم بها خسارة الطاقة من الأرض وبقاء التوازن الحراري.

من جهة أخرى، يحتوي الغلاف الجوي على نسب ثابتة تقريباً من الغازات، والتي تلعب دوراً هاماً بالمحافظة على درجة حرارة الأرض. فنسبة النيتروجين 78%، والأوكسجين 21 ، وغازات أخرى (تم التنويه عنها في ما سبق) تشكل 1% فقط من الغلاف الجوي، والتي رغم ضالتها تضم ما هو معروف بغازات الاحتباس الحراري أو غازات الدفيئة الجوية والتي تلعب دوراً هاماً باستقرار درجة حرارة الأرض، لأنها تحجز بعضاً من الأشعة الواردة الى الغلاف الجوي فترتفع درجة حرارته. وهكذا يعمل هذا التوازن الطاقي للأشعة الواردة والمنعكسة على بقاء متوسط درجة حرارة سطح الأرض عند الدرجة °C15. تدعى ظاهرة التوازن الحراري هذه بظاهرة الدفيئة الجوية (أو ظاهرة البيوت البلاستيكية) حيث يتم بهذه الظاهرة امتصاص بعض المنعكسة عن سطح الأرض الى الفضاء الخارجي من قبل جزيئات بخار الماء والى حد ما غاز ثاني أوكسيد الكربون وبعض عناصر الغلاف الجوي الأخرى، ومن ثم إعادة هذه الطاقة ثانية الى سطح الأرض. في هذه الظاهرة، تعمل عناصر الدفيئة الجوية عمل الزجاج أو البلاستيك في البيوت الزراعية، حيث تقوم المواد المؤلفة للغلاف الزجاجي بالسماح لأشعة الشمس الساقطة قصيرة الطول الموجي) بالنفاذ من خلالها، ولكن عندما تسخن أرضية هذه البيوت الزراعية فإن الأشعة الحرارية التي تمتلك أطوال موجية مرتفعة نسبياً (أشعة تحت الحمراء وأشعة حرارية) تظل أسيرة بالداخل ولا يمكنها النفاذ عبر الغلاف الزجاجي أو البلاستيكي، بسبب توافق الامتصاص الطيفي لمادة الغلاف الزجاجي مع الاطوال الموجية المرتدة، فيتم بذلك حبس الحرارة داخل البيت الزجاجي.

تقوم عناصر الدفيئة الجوية مقام البيت الزجاجي في الغلاف الجوي، وتتصف بها العديد من الملوثات الكيميائية وبعض عناصر الغلاف الجوي كبخار الماء، بالإضافة إلى العناصر الناتجة بشكل أساسي عن النشاط الصناعي وهي: غاز ثاني أوكسيد الكربون (CO2)، وغاز الميتان

(CH4)، وأكاسيد النيتروجين (NO)، ومركبات الكلوروفلورو كربون (CFCS) بالإضافة الى غاز الأوزون التروبوسفيري. بصورة عامة، لا تمتص عناصر الدفيئة الجوية جميعها الحزم الإشعاعية نفسها بل تكمل بعضها بعضاً في امتصاصها للحزم الإشعاعية الصادرة عن سطح الأرض (الأشعة تحت الحمراء) والتي يتراوح طول موجاتها في المجال (mm 450)، تاركةً نافذة عند الطول الموجي الذي يقع بين (8.5-11um)، لتسريب بعض الأشعة دون أن تشارك في الدفيئة.

يوضح الشكل (2-3) الامتصاصات الطاقية لبعض عناصر الدفيئة الجوية الأساسية عند مجالات موجية تضم كل من الأشعة الواردة مابين 0.2-3um والأشعة الصادرة مابين 2-40um يشير هذا الطيف لقمم امتصاص كل عنصر من هذه العناصر بمفرده، بالإضافة لطيف (السفلي) امتصاص جميع هذه العناصر ممتزجةً. من الواضح أن جزيئات الماء الموجودة في الغلاف الجوي تمتص الطاقة الصادرة عن الكرة الأرضية في مجال من الأطوال الموجية مابين 4.5-8um ومابين 2.5-3.5um بالإضافة إلى امتصاصية ضعيفة في المجال مابين ،11-28um، ويكون امتصاص غاز ثاني أوكسيد الكربون تقريباً كاملاً لحزم الاشعة في المجالات، مابين 2.5-3um ومابين 4-5um وفوق 13.5um بالإضافة إلى امتصاص ضعيف (دون 25%) لحزم الأشعة في المجال مابين .1.7-2.5um. أما غاز الأوزون، فمن الواضح أنه يمتص الحزم الطاقية امتصاصاً كاملاً في مجال الأشعة الواردة حتى 0.3um، مما يفسر دفيئة طبقة الستراتوسفير المحتوية على نسبة عالية من الأوزون. كما يمارس الأوزون ومعه الأوكسجين الجزيئي (O₂) دوراً امتصاصياً فعالاً لحزم الإشعاع عند الطول

الموجي 9.6um وتبرز فعالية أوكسيد النتروز في امتصاصية الكبيرة عند حزمتين إشعاعيتين 4.2-5.0um و 7-8um وامتصاص منخفض في المجال مابين 2.84.2 um ويكاد أن يكون مجال امتصاص غاز الميتان للأشعة متوافقاً مع مجال أوكسيد النتروز، مع تباين في قمم الامتصاص.

إذا ما استثنينا بخار الماء من عناصر الدفيئة، كون مصادره طبيعية، ومشاركته في دورة الماء متوازنة، بالإضافة الى كونه غير تراكمي في الغلاف الجوي، فإن المساهمة البشرية الفعالة تكون كبيرة في تكوين عناصر الدفيئة الاخرى والتي تتصف بتراكميتها في الغلاف الجوي. حيث تختلف مدة بقاء هذه العناصر في الغلاف الجوي من ساعات قليلة أو أسابيع لغاز الأوزون في التروبوسفير إلى عدة أعوام لكل من غازات الفريون والميتان وأوكسيد النتروز وثاني أوكسيد الكربون (الجدول (2-2 ). بذلك نجد أن ازدياد ظاهرة الدفيئة الجوية تعود الى ازدياد نسب المركبات الكيميائية الماصة للطاقة في الغلاف الجوي، والتي تزايدت مع ظهور الثورة الصناعية حيث سجل في الثمانينات السنوات العشر الأكثر دفاً. نلاحظ من الجدول أيضاً أن ثاني أوكسيد الكربون هو المساهم الاكبر بين عناصر الدفيئة الجوية (53%) لذلك تركز الاهتمام على إمكانية الحد من إصداره وتراكمه في الجو. مما يجدر ذكره أن نتائج ظاهرة الدفيئة الجوية، بما تسببه من ارتفاع معدل درجات الحرارة أضحت من المشاكل البيئية التي تثير الكثير من الاهتمام، لما ينتج عنها من ظواهر عديدة مثل ذوبان الجبال الثلجية وبالتالي من ارتفاع منسوب المياه السطحية. لقد أشار التقرير الذي نشرته اللجنة الحكومية للتغير المناخي (Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC ضمن منشورات المنظمة العالمية للأرصاد الجوية عام (1990) إلى أنه لا مجال للشك بحدوث ظاهرة الانحباس الحراري، كما يؤكد هذا التقرير أن الجهود التي بذلت حتى الآن في معالجة هذه الظاهرة وآثارها غير كافية، وأن هناك دليلاً واضحاً على حدوث ارتفاع قدره 0.60 في درجة حرارة الأرض، وارتفاع في مستوى سطح البحر قدره خلال القرن العشرين، بالإضافة إلى انخفاض يبلغ حوالي 40% في سماكة الثلوج المحيط المتجمد الشمالي. ويشير التقرير أيضاً إلى أن المعدل الحالي لانصهار جبال الجليد هو أعلى معدل تم تسجيله قط، كما أن هناك زيادة بنسبة 40% في نشاط العواصف في شمال المحيط الأطلسي خلال الخمسين سنة الماضية، وأما الفيضانات وموجات الجفاف فقد أصبحت أكثر تكراراً. ففي إنكلترا، كان أكثر فصول الشتاء أمطاراً هو شتاء 2001/2000 حيث حدث فيضانان من نوع لا يتكرر إلا مرة واحدة كل 30 سنة خلال شهر واحد. ويتوقع تقرير منظمة (IPCC) ارتفاع درجة حرارة كوكب الأرض بما يعادل °C 5.8 بحلول العام 2100 ، وذلك نتيجة تضاعف تركيز CO₂ في الجو.