温室效应是指地球的大气层因为吸收辐射能量，使得地球表面升温的效应。来自太阳的热量以短波辐射的形式到达地球外空间，然后穿越厚厚的大气层到达地球表面，地球表面吸收这些短波辐射热量后升温，升温后的地球表面反而向大气释放长波辐射热量，这些长波热量很容易被大气中的温室气体吸收，这样就使得地球表面的大气温度升高，这种增温效应类似于栽培植物的玻璃温室，故此得名温室效应—Greenhouse effect。
白天时，太阳光照射到地球上，部分能量被大气吸收，部分被反射回宇宙，大约47%的能量被地球表面吸收。晚上地球表面以红外线的方式向宇宙散发白天吸收的热量，其中也有部分被大气吸收。
大气层像覆盖玻璃的温室一样，保存了一定的热量，使得地球不至于像没有大气层的月球一样，被太阳照射时温度急剧升高，不受太阳照射时温度急剧下降。
如果没有温室效应，地球就会冷得不适合人类居住。据估计，如果没有大气层，地球表面平均温度会是−18℃。正是有了温室效应，使地球平均温度维持在15℃，然而当下过多的温室气体导致地球平均温度高于15℃。
除二氧化碳以外，对产生温室效应有重要作用的气体还有甲烷、臭氧、氯氟烃以及水蒸气等。它们能够吸收地球表面释放的长波辐射热量，把热量暂时保存起来，就像给地球穿上了一件保暖羽绒服。其实，这些温室气体早就存在大气层中，温室效应也早就存在了，科学家们把这种最原始的温室效应称为“天然的温室效应”。
随着人口的急剧增加，工业的迅速发展，排入大气中的二氧化碳相应增多；又由于森林被大量砍伐，大气中应被森林吸收的二氧化碳没有被吸收，由于二氧化碳逐渐增加，温室效应也不断增强。据分析，在过去二百年中，二氧化碳浓度增加25%，地球平均气温上升0.5℃。
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