Одним из главных аргументов в пользу более широкого использования альтернативных источников энергии является утверждение о значительно меньшем негативном влиянии на окружающую среду и, главное, климат нашей планеты. Но прежде чем обсуждать влияние современной энергетики на климат, необходимо кратко рассмотреть факторы, определяющие его основные параметры. В наибольшей степени климат, т. е. условия на земной поверхности, определяются атмосферой и гидросферой Земли. В свою очередь, формирование атмосферы и гидросферы тесно связано с процессом дегазации земных недр, который продолжается и в настоящее время, хотя и намного менее интенсивно, чем в предыдущие геологические эпохи. Дегазация является следствием дифференциации под действием силы тяжести земного вещества и выделением гравитационной энергии в недрах планеты. Интенсивность этого процесса достигла максимума примерно 3 млрд лет назад и с тех пор непрерывно снижается. Первичная атмосфера Земли состояла в основном из паров воды, СО₂, а также таких газов, как H₂S, CO, H₂, N₂, CH₄, NH₃, HF, HCl, Ar, то есть была по своему химическому составу восстановительной.

После появления первичной базальтовой коры и последующего остывания поверхности ниже температуры кипения воды образовалась гидросфера планеты, а основным компонентом атмосферы стал углекислый газ. Оценки показывают, что парциальное давление углекислого газа в древнейшем геологическом периоде развития земли – архее – превышало его современное значение на четыре порядка и достигало от 4 до 4,5 атм. В результате деятельности биосферы Земли основная масса выделившегося углекислого газа была преобразована в твердые карбонатные породы и органический углерод. Сейчас в виде карбонатов в земной коре связано около 3,91 10²³ г СО₂. Кроме того, в коре содержится еще около 1,95 10²² г органического углерода. С этим углеродом было связано приблизительно 5,2 10²² г О₂, поэтому можно полагать, что всего из мантии было дегазировано примерно 4,6 10²³ г СО₂. Сейчас в атмосфере содержится около 2,45 10¹⁸ г СО₂, а 1,4 10²⁰ г углекислого газа растворено в океане.

Выделяющийся из диоксида углерода в результате деятельности живых организмов свободный кислород не мог накапливаться в больших количествах в атмосфере, пока на земной поверхности имелись в огромном количестве неокисленные породы. При накоплении в коре органического углерода, первоначально входившего в состав дегазированного СО₂, было выделено приблизительно 5,2 10²² г О₂. На начальном этапе почти весь освобождающийся кислород связывался преимущественно с железом и серой. Сейчас в земной коре содержится примерно 6,9 10²³ г Fe₂О₃ и 2,83 10²² г SO₃. Это значит, что на окисление двухвалентного железа до трехвалентного ушло около 6,9 10²² г О₂, а на окисление сульфатной серы потребовалось 1,7 10²² г О₂. В современной атмосфере содержится 1,2 10²¹ г кислорода, поэтому общая масса О₂ в земной коре и атмосфере – приблизительно 8,7 10²² г. Разница в 3,5 10²² г могла поступить за счет диссоциации воды жестким солнечным УФ излучением и других химических реакций.

В настоящее время Земля обладает атмосферой, общая масса которой равна 5,15 10²¹ г, т. е. составляет одну миллионную часть ее общей массы. Среднее давление атмосферы на уровне моря 1,0132 бар (760 мм рт. ст.), плотность ~1,3 10^-3 г/см³, состав сухого воздуха, % об.: азот – 78,08, кислород – 20,95, Ar – 0,93 %, СО₂ – 0,03 %. Находящийся в атмосфере ⁴⁰Ar образовался в основном в результате радиоактивного распада ⁴⁰К.

Средняя температура на поверхности, являющаяся наиболее важным климатическим параметром, определяется тепловым балансом нашей планеты, который складывается из баланса поступающей на поверхность энергии солнечного излучения и энергии, отдаваемой нагретой поверхностью Земли в космос в виде инфракрасного (теплового) излучения. Поскольку средняя температура поверхности Земли на протяжении длительного периода остается практически постоянной, это свидетельствует о тепловом балансе, при котором потоки поступающей на земную поверхность энергии и энергии, отдаваемой ею в космическое пространство, с высокой точностью одинаковы.

В свою очередь эти потоки определяются свойствами атмосферы нашей планеты. Составляющие земную атмосферу газы легко пропускают основную часть солнечного излучения, спектральная температура которого совпадает с температурой поверхности Солнца (~6000 К) и лежит в видимом диапазоне длин волн. Примерно 30 % солнечного излучения отражается обратно в космос самой атмосферой Земли, что в значительной степени определяет коэффициент отражения солнечного излучения (альбедо) нашей планеты как небесного тела, на 83 % определяемое отражением самой атмосферы и лишь на 17 % отражением поверхности Земли. Излучение, прошедшее сквозь атмосферу, частично поглощается земной поверхностью, в т. ч. зелеными растениями, и приводит к ее нагреву (рис. 64).

Рис. 64. Распределение потоков поглощаемой и излучаемой энергии в атмосфере и на поверхности Земли. Черные стрелки – поток солнечного излучения, белые – теплового излучения Земли (Горшков, 1995)

Для сохранения постоянной температуры, т. е. поддержания теплового баланса, наша планета должна излучать столько же энергии, сколько она получает в виде поглощенного солнечного излучения. Тепловое излучение Земли определяется температурой ее поверхности (~300 К) и лежит в инфракрасной области спектра. Так как энергия испускаемых фотонов пропорциональна температуре нагретой поверхности, в среднем на каждый поглощенный фотон солнечного излучения земной поверхностью испускается ≈20 тепловых фотонов, каждый из которых имеет в 20 раз меньшую энергию. Именно этот процесс деградации высокопотенциальной энергии солнечного излучения в низкопотенциальное равновесное тепловое излучение Земли является источником всех упорядоченных процессов, протекающих в биосфере. Если бы Земля получала такое же количество энергии в виде равновесного теплового излучения, жизнь на ней никогда бы не смогла возникнуть (Арутюнов, Стрекова, 2006).

Для инфракрасного излучения нагретой земной поверхности, посредством которого Земля отдает в космос избыток энергии, составляющие ее атмосферу газы значительно менее прозрачны, чем для солнечного излучения. Они поглощают заметную часть этого излучения (рис. 64), нагреваясь сами и дополнительно нагревая поверхность планеты. Благодаря присутствию в атмосфере газов, поглощающих инфракрасное излучение нагретой Земли и создающих на ее поверхности эффект парника (парниковых газов), средняя температура земной поверхности повышается на ~33°С, достигая примерно 290 К, что и создает необходимые условия для существующего на Земле многообразия жизненных форм, включая человека и созданную им цивилизацию.