Щоб правильно оцінювати ступінь нагріву і охолодження різних земних поверхонь, розраховувати випаровування на водосховищах. визначати зміни Вологозапаси в грунті, розробляти методи по прогнозуванню замерзання водойм, а також оцінювати вплив меліоративних робіт на кліматичні умови приземного шару повітря, необхідні дані про тепловому балансі земної поверхні.
Земна поверхня безперервно отримує і втрачає тепло в результаті впливу різноманітних потоків короткохвильової і довгохвильової радіації. Поглинаючи в більшій чи меншій мірі сумарну радіацію і зустрічне випромінювання атмосфери. земна поверхня нагрівається і випромінює довгохвильову радіацію, а значить, втрачає тепло. Величиною, що характеризує втрату тепла земною
поверхнею, є ефективне випромінювання. Воно дорівнює різниці між власним випромінюванням земної поверхні і зустрічним випромінюванням атмосфери. Оскільки зустрічний випромінювання атмосфери завжди трохи менше земного, то ця різниця позитивна. У денні години ефективне випромінювання перекривається поглиненої короткохвильового радіацією. Вночі ж, при відсутності короткохвильового сонячної радіації, ефективне випромінювання знижує температуру земної поверхні. У хмарну погоду в зв'язку зі збільшенням зустрічного випромінювання атмосфери ефективне випромінювання набагато менше, ніж в ясну. Менше і нічний охолодження земної поверхні. У середніх широтах земна поверхня втрачає через ефективне випромінювання приблизно половину тієї кількості тепла, яке вони отримує від поглиненої радіації.
Прихід і витрата променевої енергії оцінюють величиною радіаційного балансу земної поверхні. Він дорівнює різниці між поглиненої сонячної радіацією і ефективним випромінюванням, від нього залежить тепловий стан земної поверхні - її нагрівання або охолодження. Днем радіаційний баланс майже весь час позитивний, т. Е. Прихід тепла перевищує витрата. Вночі радіаційний баланс негативний і дорівнює ефективному випромінюванню. Річні значення радіаційного балансу земної поверхні, за винятком самих високих широт, всюди є позитивними. Цей надлишок тепла витрачається на нагрівання атмосфери шляхом турбулентної теплопровідності, на випаровування, на теплообмін з більш глибокими шарами грунту або води.
Якщо розглядати температурні умови за тривалий період (рік або краще ряд років), то земна поверхня, атмосфера в окремо і система «Земля - атмосфера» знаходяться в стані теплової рівноваги. Їх середня температура з року в рік мало змінюється. Відповідно до закону збереження енергії можна вважати, що алгебраїчна сума потоків тепла, що приходять на земну поверхню і йдуть від неї дорівнює нулю. Це і є рівняння теплового балансу земної поверхні. Його зміст полягає в тому, що радіаційний баланс земної поверхні врівноважується нерадіаційної передачею тепла. У рівнянні теплового балансу, як правило, не враховуються (через їхню малість) такі потоки, як тепло, переносний випадають опадами, витрата енергії на фотосинтез, прихід тепла від окислення біомаси, а також витрата тепла на танення льоду або снігу, прихід тепла від замерзання води.
Тепловий баланс системи «Земля - атмосфера» за тривалий період також дорівнює нулю, т. Е. Земля як планета знаходиться в тепловій рівновазі: приходить на верхню межу атмосфери сонячна радіація врівноважується йде в космос радіацією з верхньої межі атмосфери.
Якщо прийняти приходить на верхню межу атмосфери сонячну радіацію за 100%, то з цієї кількості 32% розсіюється в атмосфері. З них 6% йде назад у світовий простір. Отже, до земної поверхні у вигляді розсіяної радіації надходить 26%; 18% радіації поглинається озоном, водяною парою. аерозолями і йде на нагрівання атмосфери; 5% поглинається хмарами; 21% радіації йде в космос в результаті відображення від хмар. Таким чином, приходить до земної поверхні радіація становить 50%, з яких на частку прямої радіації припадає 24%; 47% поглинається земною поверхнею, а 3% прийдешньої радіації відбивається назад у світовий простір. В результаті з верхньої межі атмосфери в космічний простір йде 30% сонячної радіації. Цю величину називають планетарним альбедо Землі. Для системи «Земля атмосфера» через верхню межу атмосфери йде назад в космос 30% відбитої і розсіяної сонячної радіації, 5% земного випромінювання і 65% випромінювання атмосфери, т. Е. За все 100%.