Ay ile Dünya, Güneş'e neredeyse aynı uzaklıkta bulunur. Buna karşın Ay'ın yüzeyinde sıcaklık gündüzleri yüz derecenin üzerine çıkarken geceleri eksi yüz ellinin altına düşer. Dünya'nın ortalama yüzey sıcaklığı ise yaklaşık on beş derece civarındadır ve gece ile gündüz arasındaki farklar çok daha ılımlıdır. Bu büyük farkın en önemli nedeni, Dünya'nın atmosferidir. Atmosferdeki bazı gazlar, gezegenimizi adeta görünmez bir battaniye gibi sararak ısının uzaya kaçmasını yavaşlatır. Bu olaya sera etkisi adı verilir.

Sera etkisinin nasıl işlediğini anlamak için Güneş'ten gelen ve Dünya'dan yayılan ışınım türlerini ayırt etmek gerekir. Güneş, enerjisinin büyük bölümünü görünür ışık biçiminde yayar. Bu ışık, atmosferin büyük ölçüde içinden geçerek yeryüzüne ulaşır ve onu ısıtır. Isınan yeryüzü ise bu enerjiyi kızılötesi ışınım biçiminde yeniden uzaya yaymaya çalışır. Atmosferdeki bazı gazlar, görünür ışığa karşı görece saydam olmalarına karşın kızılötesi ışınımı soğurur. Bu gazlar, soğurdukları enerjinin bir kısmını yeniden yeryüzüne doğru yayarak yüzeyin daha sıcak kalmasını sağlar.

Kızılötesi ışınımı soğuran bu gazlara sera gazları denir. Atmosferin büyük bölümünü oluşturan azot ve oksijen, sera etkisine neredeyse hiç katkıda bulunmaz. Başlıca sera gazları ise su buharı, karbondioksit, metan ve diazot monoksittir. Bu gazlar atmosferde çok küçük miktarlarda bulunmalarına karşın iklim üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Örneğin karbondioksit, atmosferin binde birinden bile daha az bir kısmını oluşturur.

Sera etkisi, kendi başına zararlı bir olgu değildir. Tam tersine, doğal sera etkisi olmasaydı Dünya'nın ortalama sıcaklığı sıfırın yaklaşık on sekiz derece altında olurdu ve okyanuslar büyük ölçüde donardı. Bildiğimiz yaşam, büyük olasılıkla bu koşullarda gelişemezdi. Sorun, insan etkinlikleri sonucunda atmosferdeki sera gazı miktarının artması ve doğal sera etkisinin güçlenmesidir. Bu güçlenme, Dünya'nın enerji dengesini bozarak gezegenin ısınmasına yol açar.

Sera etkisinin fiziksel temelleri, on dokuzuncu yüzyılda keşfedildi. İrlandalı bilim insanı John Tyndall, laboratuvarda yaptığı deneylerle karbondioksit ve su buharının kızılötesi ışınımı soğurduğunu gösterdi. Ondan birkaç yıl önce Amerikalı bilim insanı Eunice Foote da benzer bir deneyle karbondioksitin ısınmaya etkisine dikkat çekmişti; ancak onun çalışması uzun süre göz ardı edildi. Yüzyılın sonunda İsveçli kimyacı Svante Arrhenius, atmosferdeki karbondioksit miktarının iki katına çıkması durumunda Dünya'nın kaç derece ısınacağını hesaplayan ilk ayrıntılı çalışmayı yaptı.

Sanayi Devrimi'nden bu yana insanlar, kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtları büyük miktarlarda yakarak atmosfere karbondioksit salmaktadır. Ormanların kesilmesi de karbondioksiti emen bitkilerin azalmasına yol açar. Tarım ve hayvancılık, çöp alanları ve doğal gaz sızıntıları ise atmosfere metan salar. Bu etkinlikler sonucunda atmosferdeki karbondioksit miktarı, Sanayi Devrimi öncesine göre yaklaşık yüzde elli artmıştır. Buzul çekirdeklerinden elde edilen veriler, bu düzeyin en az yüz binlerce yıldır görülmemiş bir düzey olduğunu göstermektedir.

Atmosferdeki karbondioksitin düzenli olarak ölçülmesine 1958 yılında Hawaii'deki bir dağın zirvesinde başlandı. Amerikalı bilim insanı Charles David Keeling tarafından başlatılan bu ölçümler, karbondioksit miktarının her yıl düzenli olarak arttığını gösterdi. Ölçümlerin oluşturduğu grafikte, bitkilerin mevsimlik büyüme döngüsüne bağlı olarak her yıl küçük bir iniş ve çıkış da görülür. Kuzey yarımkürede bitkiler ilkbahar ve yaz aylarında karbondioksiti emer, sonbahar ve kış aylarında ise yaprakların çürümesiyle bu gaz yeniden atmosfere salınır. Bu grafik, onu başlatan bilim insanının adıyla anılır.

Sera gazlarının artması, iklim sisteminde pek çok değişikliğe yol açmaktadır. Dünya'nın ortalama sıcaklığı, on dokuzuncu yüzyılın sonlarına göre yaklaşık bir derecenin üzerinde artmıştır. Bu artış küçük gibi görünse de küresel ölçekte son derece önemli etkiler doğurur. Buzullar erimekte, deniz seviyesi yükselmekte, sıcak hava dalgaları daha sık ve şiddetli hâle gelmekte ve yağış düzenleri değişmektedir. Okyanuslar da atmosferdeki fazla karbondioksitin bir kısmını emerek asitlenmektedir.

İklim sistemi, bazı geri besleme mekanizmaları nedeniyle başlangıçtaki ısınmayı güçlendirebilir. Isınan atmosfer daha fazla su buharı tutabilir ve su buharı da güçlü bir sera gazıdır. Kutuplardaki parlak buz ve kar örtüsü eridiğinde, altındaki daha koyu renkli kara ve deniz yüzeyleri daha fazla güneş ışığı soğurur ve ısınma hızlanır. Bu tür geri beslemeler, iklim değişikliğinin öngörülmesini karmaşık hâle getirir.

İklim bilimcilerin büyük çoğunluğu, günümüzde gözlemlenen hızlı ısınmanın temel nedeninin insan etkinlikleri olduğu konusunda hemfikirdir. Bu ısınmayı sınırlamak için sera gazı salınımlarının azaltılması, yenilenebilir enerji kaynaklarına geçilmesi, enerjinin daha verimli kullanılması ve ormanların korunması gibi önlemler önerilmektedir.

Sera etkisi, gezegenimizi yaşanabilir kılan doğal bir olgudur. Ancak bu görünmez battaniyenin giderek kalınlaşması, insanlığın karşı karşıya olduğu en büyük çevresel sorunlardan birini oluşturmaktadır.