Поскольку замеченных изменений средней температуры поверхностей этих тел не наблюдалось, то считается, что в их теплообмене с внешней средой (Солнцем, космосом) существует установившийся баланс прихода и расхода радиационной энергии, то есть всего теплообмена. Это же принимается очевидным и для каждой данной эпохи Земли, хотя не исключаются и нарушения такого баланса в периоды радикальных изменений её климата от оледенелого состояния к безледному.
Уровень теоретически рассчитываемой «нагретости» единицы поверхности Земли и планет определяется эффективной температурой, которая зависит от расстояния космического тела от Солнца, отражательной способности этого тела и корректируется коэффициентом пропорциональности, называемым постоянной Стефана – Больцмана. И здесь обнаружились неожиданности, которые сейчас считаются уже достаточно объясненными.
Так, Земля и ее спутник Луна находятся в среднем на равном расстоянии от Солнца, но в силу большего альбедо земная поверхность усваивает солнечного тепла в 5, 6 раз меньше, чем поверхность Луны. Несмотря на это средняя температура земной поверхности оказывается на 30 °C выше лунной!
Из-за еще большего альбедо Венера, находящаяся в 1,4 раза ближе к Солнцу, чем Земля, должны иметь эффективную температуру поверхности, равную минус 29 °C, а фактически измеренная составляет много более плюсовой (400 °C)! На самой Земле эффективная средняя температура поверхности должна составлять минус 20 °C (Гуди, Уолкер, 1975), однако она составляет плюс 15 °C. Если продолжить эти сравнения на примере других тел солнечной системы, то можно заметить, что наименьшие расхождения эффективной температуры с практически дистанционно измеренной наблюдаются на тех же планетах и их спутниках, которые лишены или почти лишены атмосферы, а наибольшие – на имеющих самую мощную атмосферу. На Венере, например, масса атмосферы в 100 раз больше, чем на Земле, превосходящей её по своей общей массе. Эти давно замеченные странности навели людей на мысль, что отклонения измеренных значений температуры от вычисленных имеют некую связь с атмосферой этих планет, каким-то образом способной задерживать часть тепла, то есть лимитировать его обратное излучение в космос. Разумеется, что это относится и к Земле. Здесь сами факты не оставляют возможности представить иную причину разногласий теории с практикой.
Как же атмосфере удается удерживать ли, аккумулировать ли некоторую, а то и очень большую долю тепла при теплообмене Земли и планет с Солнцем и космическим пространством?
В первую очередь возникает вопрос – а почему собственно на одних планетах атмосфера существует, а на других нет? И здесь уже есть готовые ответы.
Оказывается, что атмосферу не имеют космические тела с малой собственной массой, но её всегда имеют планеты, обладающие большей массой. Уточняя эту зависимость дальше, несложно установить, что атмосферой обладают планеты, располагающие значительно большей собственной силой притяжения, чем малые тела. А далее, оценивая физические свойства газов, составляющих атмосферу, возможности и условия их диссоциации под действием солнечных лучей, можно узнать, что, например, на Луне, обладающей в 6 раз более слабым тяготением, чем земное, атмосфера неизбежно должна была улетучиться в космос, почему её и нет на нашем спутнике. То же наблюдается на всех малых спутниках планет. Нет атмосферы и на планете Меркурий, сила тяготения которого меньше земного в 3 раза, а близость к Солнцу, сильно разогревающего освещенную сторону планеты, способствует интенсивной диссоциации газов. Как считал В. Ф. Дерпгольц (1979) время полного улетучивания газов при достигаемой на Меркурии температуре (более +400 °C) должно составлять: водорода – 0,1 года; гелия – 3 года; кислорода – 1 млн. лет; азота и углекислого газа – 10 млрд. лет.
Прямые измерения с американского спутника «Маринер-10», показали, что заметных следов атмосферы на этой планете, в том числе и углекислого газа, не обнаружено.
Итак, мы нашли, что необходимым условием для удержания атмосферы на планетах, кроме прочего, является сила притяжения, достаточная для того, чтобы не допустить улетучивания газов, диссоциирующихся на верхней границе атмосферы. Но почему же атмосфера бережет тепло того космического тела, которое способно удерживать ее собственной силой притяжения?