Le soleil est la source d’énergie essentielle pour le système climatique. C’est la seule source d’énergie extérieure à la Terre, les autres sources d’énergie sont la chaleur interne à la Terre et l’énergie marémotrice, cette dernière étant négligeable, comparée aux deux autres. La Terre réfléchit environ 30 % du rayonnement solaire incident. Le reste réchauffe la surface de la Terre. En retour, cette surface émet un rayonnement thermique invisible (infrarouge), dont une partie est renvoyée vers l’espace et une partie est absorbée par l’atmosphère.

Quantitativement, le flux d’énergie solaire absorbé par la Terre est proche du flux d’énergie émis par la Terre sous forme de rayonnement thermique, mais la différence entre les énergies entrante (le rayonnement solaire) et sortante (somme du rayonnement solaire réfléchi par la Terre et du rayonnement émis par la Terre) n’est pas égale à zéro. Il y a donc déséquilibre énergétique de la Terre. La Terre se réchauffe. La chaleur excédentaire s’accumule dans les différentes composantes du système climatique. La plus grande partie (89 %) est accumulée dans l’océan, principalement dans sa couche supérieure (0-700 m). Le restant s’accumule dans la surface continentale (6 %) et l’atmosphère (1 %), et une part (4 %) provoque la fonte de la cryosphère.

C’est l’existence de l’effet de serre qui a fait que la température moyenne près de la surface de la Terre est de 15 °C, alors que sans effet de serre, elle ne serait que d’environ -18 °C, rendant la vie… très difficile !

En effet, les gaz à effet de serre (GES) laissent passer le rayonnement solaire, mais pas le rayonnement émis par la Terre, piégeant ainsi l’énergie.

Ce sont les GES dus à l’activité humaine qui sont la cause d’un effet de serre additionnel et du réchauffement actuel.

C’est le cas depuis plusieurs décennies, et les dernières années ont été les plus chaudes depuis le début 1850 (date où les mesures méthodiques fondées sur des thermomètres ont commencé).

L’énergie solaire reçue est maximale dans les régions équatoriales et minimale aux pôles, l’atmosphère et les océans, par leurs vents et courants, redistribuent l’énergie solaire, des basses latitudes en direction des pôles, déficitaires. C’est en ce sens que le système climatique est souvent comparé à une machine thermique qui fonctionne avec une source chaude équatoriale et une source froide polaire. Les différences de température sont converties en mouvement (les vents).

Dans ce système, l’océan constitue un énorme réservoir de chaleur en raison de sa masse importante et d’une caractéristique physique de l’eau, sa très forte capacité calorifique (capacité thermique). Celle-ci lui permet d’accumuler une grande quantité d’énergie sous forme thermique, même si l’augmentation de la température de l’atmosphère est relativement faible. Il faut préciser, en outre, que la capacité thermique de l’eau est 1 200 fois supérieure à celle de l’atmosphère.

Par ailleurs, l’atmosphère est en contact pour environ 70 % de sa surface terrestre avec l’océan, les échanges thermiques avec lui sont donc importants.

Dans l’atmosphère, les mouvements verticaux sont causés essentiellement par des différences de densité entre masses d’air, différences qui reposent pour l’essentiel sur des différences de température et de contenu en vapeur d’eau. 

Par exemple, les masses d’air surchauffées de la région équatoriale et se refroidissent lors de leur ascension, provoquant des pluies abondantes dans ces régions.

Les eaux océaniques ont de mouvements ascendants et descendants à la suite de processus déterminés majoritairement par des différences de densité qui dépendent de la température et de la salinité.