大气层的温室效应可以通过比较地球表面的实际观测温度和假定没有大气层存在的情况下的辐射平衡温度来说明。假定没有大气层的存在,地球表面的辐射能量平衡可以用下面的公式来表示：S0(1-α)πR2=4πR2σT4 .这里的S0=1368Wm-2是太阳常数，也就是太阳辐射在地球轨道的辐射通量，α=0.3,是地球的行星反照率，也就是30%的太阳辐射被反射回太空,只有70%的太阳辐射被地面吸收，R=6370km是地球半径，σ= 5.67*10-8Wm-2K-4是斯特蕃-玻尔兹曼常数，T是全球平均地表温度。(1)式的左边表示地球以圆形截面接收太阳的短波辐射，右边表示地球以球面向太空辐射的红外辐射。把上面所有的参数值代入(1)式，得到地表辐射平衡温度是T =255K。而观测到的全球平均地表温度是288K，这说明大气层的温室效应把地表温度升高了33K。

我们也可以使用(1)式计算其他行星的辐射平衡温度。例如,已知金星的行星反照率是0.78，太阳常数是2639Wm-2，将其代入(1)式，得到金星的辐射平衡温度是225K。但金星的实际地表平均温度大约是730K，所以，金星大气的温室效应将其表面温度升高了大约500K。这个数值比地球大气的温室效应导致的温度升高的数值要大得多，说明金星大气的温室效应比地球强得多。这是因为金星大气比地球大气含有更多的CO2。金星表面的大气压力是93个大气压，其中的95%是CO2。对火星而言，其大气层非常稀薄,其大气压强不足地球的百分之一，尽管其大气中CO2 的含量也高达96%，但其温室效应非常弱。

虽然我们形象地把大气对地面的增温作用比喻作玻璃温室的保温效应，但它们之间既有相似的地方，也有本质的不同。它们的相同点是，都允许太阳短波辐射透过，并且都阻挡红外长波辐射透过,使地面得到加热；不同点是,温室玻璃阻挡了温室内外的热力对流和热量交换，而地球大气层中则有热力对流运动发生。当大气下层被加热而产生向上运动时，下层的热量被输送到了大气高层，同时由于大气层的压力随高度的升高而降低，因此，下层的气块进入高层之后由于体积膨胀而降温。