L’essentiel de l’énergie de notre système climatique provient du Soleil qui inonde la Terre de rayonnements allant de l’ultraviolet à l’infrarouge en passant par la lumière visible. La Terre absorbe une partie seulement de cette énergie. En effet, une partie est directement réfléchie vers l’espace et une partie est émise à nouveau sous forme d’infrarouges par la surface du sol et l’atmosphère car notre planète est beaucoup moins chaude que le Soleil. Le bilan radiatif de la Terre est en équilibre thermodynamique, avec des flux d’énergie entrant et sortant identiques au sommer de l’atmosphère. L’énergie lumineuse qui arrive du Soleil au sommet de l’atmosphère atteint en moyenne annuelle 340 W/m², mais environ 100 W/m² sont réfléchis par la planète. Pour une part marginale, par les molécules d’air, mais surtout par les nuages, les aérosols et la surface du sol. Seuls 240 W/m² entrent donc dans le système climatique et sont utilisés par ses différentes composantes (atmosphère, océan, biosphère, cryosphère). Pour que le bilan radiatif soit à l’équilibre, 240 W/m² sont émis à nouveau vers l’espace sous formes d’infrarouges produits par la surface de la Terre et l’atmosphère.
Ce bilan radiatif pourrait s’arrêter là si notre atmosphère ne comprenait pas de gaz capables de capter l’énergie des rayons infrarouges. Par exemple, si elle n’était composée que d’azote, d’oxygène et d’un peu d’argon qui n’interagissent pas avec ce rayonnement. Dans de telles conditions, la température moyenne de la surface de la planète serait de -18 °C. Heureusement, une partie du flux réémis vers l’atmosphère se retrouve piégée par des constituants mineurs, au premier rang desquels la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le méthane. En absorbant une partie de ce flux, correspondant à 150 W/m², et en le réémettant dans toutes les directions, y compris vers le sol, ces gaz piègent le rayonnement infrarouge. C’est grâce à ces processus, baptisés « effet de serre », que la surface de notre planète s’équilibre aujourd’hui à une température d’environ 15 °C lors des périodes chaudes – dites interglaciaires – du dernier million d’années.
Par ailleurs, l’énergie solaire entrant dans le système n’est pas uniformément répartie. L’équateur reçoit ainsi en moyenne bien plus d’énergie par mètre carré que les régions polaires. L’atmosphère et l’océan redistribuent ce surplus d’énergie de l’équateur vers les pôles. Un des transferts d’énergie prédominants s’effectue à travers le cycle de l’eau : l’eau évaporée au-dessus des océans équatoriaux monte et se refroidit, la vapeur se condense en gouttelettes et ce changement de phase transfère de l’énergie dans l’atmosphère. Les masses d’air redescendent, alors sèches et froides, du fait de la rotation de la Terre, vers 30° de latitude Sud et Nord. Comme notre planète est loin d’être une boule homogène, ces deux fluides s’adaptent à la distribution des continents, aux montagnes et aux reliefs marins. Ainsi, les grands mouvements de l’atmosphère se structurent par bandes de latitude, tandis que le transport d’énergie par l’océan se fait par grands bassins. Les courants de surface emportent de la chaleur de l’équateur vers les hautes latitudes, tandis que la formation d’eau profonde provient de la coulée des eaux plus froides, plus salées et donc plus denses. Ces eaux denses tapissent le fond de l’océan pour en ressortir en surface dans les Tropiques. Cette circulation, très complexe, diminue fortement la différence de température entre équateur et pôles.
