การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ที่บรรยากาศชั้นบนและบรรยากาศชั้นล่างลักษณะแถบการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์และรังสีสะท้อนกลับจากพื้นผิวโลกของก๊าซเรือนกระจกชนิดต่างๆ โปรดสังเกตรังสีสะท้อนกลับสู่ท้องฟ้าที่ถูกดูดซับไว้เป็นปริมาณที่มากกว่า ซึ่งเป็นตัวการทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก

โลกรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ในรูปของการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ พลังงานเกือบทั้งหมดมีขนาดความยาวช่วงคลื่นที่มองเห็นได้และในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดที่เกือบมองเห็น (บางครั้งเรียกว่าช่วงคลื่นใกล้อินฟราเรด) โลกมีอัตราส่วนรังสีสะท้อน (albedo) ประมาณ 30% ของรังสีดวงอาทิตย์ที่แผ่ลงมา ที่เหลือร้อยละ 70 จะถูกดูดซับไว้ ทำความอบอุ่นให้แก่พื้นดิน บรรยากาศและมหาสมุทร

การที่อุณหภูมิของโลกอยู่ในภาวะเสถียรซึ่งไม่ร้อนขึ้นหรือเย็นลงอย่างรวดเร็วเกินไปได้นั้น การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์สู่โลกจะต้องอยู่ในสภาวะสมดุลเป็นอย่างมากกับรังสีอินฟราเรดที่สะท้อนกลับออกสู่อวกาศ โดยที่ความเข้มของการแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มของอุณหภูมิ เราจึงคิดว่าอุณหภูมิของโลกขึ้นอยู่กับปริมาณของฟลักซ์หรือแรง (flux) ของอินฟราเรดที่จะต้องถ่วงดุลกับฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์ การแผ่ของรังสีดวงอาทิตย์เกือบทั้งหมดทำพื้นผิวของโลกร้อนขึ้น ไม่ใช่เป็นการทำให้บรรยากาศร้อนขึ้น บรรยากาศชั้นบนไม่ใช่ผิวโลกที่เป็นตัวช่วยให้การแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดหนีออกสู่อวกาศ โฟตอนอินฟราเรดที่ส่งออกมาทางผิวโลกเกือบทั้งหมดจะถูกดูดซับไว้ในบรรยากาศโดยก๊าซเรือนกระจกและเมฆ ไม่ได้หนีออกโดยตรงสู่ห้วงอวกาศ

เหตุผลที่พื้นผิวโลกร้อนขึ้นนี้อาจทำให้เข้าใจได้ง่ายๆ ด้วยการเริ่มต้นจากการใช้แบบจำลองปรากฏการณ์เรือนกระจกอย่างง่ายที่คิดเฉพาะการแผ่กระจายรังสีโดยไม่นำไปรวมกับการถ่ายโอนพลังงานในบรรยากาศโดยการพาความร้อน ในกรณีการคิดการแผ่กระจายรังสีเพียงอย่างเดียวนี้ เราอาจคิดได้ว่าบรรยากาศแผ่กระจายรังสีอินฟราเรดทั้งจากด้านสู่ด้านบนลงมาและจากด้านล่างขึ้นไป ฟลักซ์ของรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกจากผิวโลกจะต้องสมดุลไม่เพียงกับการดูดกลืนฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่จะต้องสมดุลกับฟลักซ์ของอินฟราเรดที่บรรยากาศปล่อยลงมาด้วย อุณหภูมิพื้นผิวโลกจะร้อนขึ้นจนถึงระดับการปลดปล่อยความร้อนในปริมาณเท่ากับผลรวมของรังสีดวงอาทิตย์และอินฟราเรดที่เข้ามา

ภาพชัดเจนกว่าที่อาจนำมาคิดกับฟลักซ์การพาความร้อน และความร้อนแฝงนั้นออกจะซับซ้อนมากกว่า แต่แบบจำลองอย่างง่ายที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้สามารถแสดงแก่นสารได้ชัดเจนกว่า โดยเริ่มจากการสังเกตที่เห็นได้ว่าภาวะทึบแสงของบรรยากาศที่มีต่อการแผ่รังสีอินฟราเรดว่าเป็นตัวกำหนดช่วงสูงของโฟตอนในบรรยากาศเกือบทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกสู่ห้องอวกาศ หากบรรยากาศมีภาวะทึบแสงมากขึ้น โฟตอนทั่วไปที่จะหนีออกสู่ห้วงอวกาศจะถูกปลดปล่อยจากชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้น เนื่องจากการแผ่กระจายของรังสีอินฟราเรดคือตัวทำให้เกิดความร้อน ดังนั้นอุณหภูมิของบรรยากาศในระดับการปลดปล่อยที่ทำให้เกิดผลจึงถูกกำหนดโดยความต้องการที่ฟลักซ์ของการปลดปล่อยสมดุลกับการดูดกลืนฟลักซ์ของรังสีดวงอาทิตย์

แต่อุณหภูมิของบรรยากาศโดยทั่วไปจะลดลงตามความสูงเหนือผิวพื้นในอัตราประมาณ 6.5 °C ต่อความสูง 1 กิโลเมตรโดยเฉลี่ยจนถึงบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ความสูงประมาณ 10 – 15 กิโลเมตรจากผิวโลก (โฟตอนเกือบทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกสู่ห้วงอวกาศโดยบรรยากาศชั้นโทรโปสเฟียร์ซึ่งเป็นอาณาบริเวณที่อยู่ระหว่างผิวโลกกับสตราโตสเฟียร์ ดังนั้นเราจึงไม่นับบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์) แบบจำลองที่ง่ายที่สุดแต่เป็นแบบที่มีประโยชน์ที่สุดได้แก่แบบจำลองที่มีสมมุติฐานว่าโปรไฟล์ของอุณหภูมิมีความคงที่และฟลักซ์ของพลังงานเป็นแบบไม่มีการแผ่กระจายและกำหนดค่าอุณหภูมิไว้ ณ ระดับฟลักซ์ของการแผ่กระจายรังสีที่หนีออกสู่ห้วงอวกาศ ด้วยแบบจำลองนี้เราสามารถคำนวณอุณหภูมิผิวพื้นโดยการเพิ่มของอุณหภูมิในอัตรา 6.5 °C ต่อการต่ำลงทุก 1 กิโลเมตร จนถึงผิวโลก ยิ่งบรรยากาศมีภาะวะทึบแสงมากขึ้นและระดับของการปลดปล่อยรังสีอินฟราเรดที่เพิ่มสู่ห้วงอวกาศมีมากขึ้นเท่าใด ผิวพื้นของโลกก็จะร้อนขึ้นเท่านั้น

คำว่า “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” นี้เองที่เป็นตัวทำให้เกิดความสับสนว่าเรือนกระจกของจริงไม่ได้ร้อนขึ้นโดยกลไกนี้ (ดูหัวขัอ เรือนกระจกจริงข้างล่าง) การโต้เถียงที่แพร่หลายมักอ้างผิดๆ ว่ามันเป็นเช่นนั้น ความคลาดเคลื่อนนี้บางครั้งยังมีปรากฏในเอกสารทางวิทยาศาสตร์หรือเอกสารของรัฐฯ (เช่น เอกสารของ อี.พี.เอ.[14]เป็นต้น)