各地点での、真上の方向を天頂(英語ではzenith)という。 天体(たとえば太陽)の方向が天頂からどれだけずれているかの角度を、 その天体の天頂角(zenith angle)といい、 ギリシャ文字のζ(ゼータ)で示すことが多い。 (「太陽高度角」あるいは「太陽高度」という用語も使われるが、これは地平線からの仰角であり、 太陽の天頂角をζとすれば、90°-ζ、角度の単位をラジアンとすればπ/2 - ζである。)
太陽・地球間の距離は地球の大きさに比べてじゅうぶん大きいので、 太陽放射は平行光線とみなすことができる。 光線に垂直な面で切ったとき一定の断面積 A をもつ光線の束を想定してみる。 光線に垂直でない面で切った断面積は、Aよりも大きくなる。 光線と面の垂線との間の角度をζとすれば、A / cosζ となる。 (図をかいて、三角関数のコサインの定義と比べてみてほしい。) この光線の束に伴ってやってくるエネルギーが、 光線に垂直な面の単位面積あたり、時間あたりで、I だとすると、 ζだけ傾いた面の単位面積あたりになおすと、I cosζ になる。
地球上の各地点に各時刻にやってくる太陽放射エネルギーは 昼半球では I cosζ、夜半球では0である。 (ただし、これには空気に吸収されるものや反射されるものを含んでおり、 全部が実際に地表面に届くわけではない。) 地球上の各地点での太陽天頂角は、緯度・経度と日時によって変わるが、 地球の自転・公転はよくわかっており、天体力学に基づく予測も精度よくできている。 したがって緯度・経度と日時を与えれば太陽天頂角は計算できる。 I については、地球の公転軌道が楕円であることによる太陽・地球間の距離の変化は計算に入れるが、 太陽・地球間の平均距離で太陽に正面を向けた面に達する太陽放射エネルギー (いわゆる「太陽定数」)は一定とみなすのがふつうである。
太陽放射の地表面積あたり・時間あたりのエネルギーの流れを 1日について平均した値は、経度にはよらなくなり、緯度と季節の関数になる。 昼と夜とが対称でないのと、地球の公転軌道が楕円であること、 自転軸と公転軌道の軸とがかたむいていることによって、 簡単な関数にはならないが、数値を計算することはできる。
【この図は [「大気上端」に入射する太陽放射 (2) 季節変化と、万年のけたの時間スケールの変化] の、 現在の地球の軌道要素をあたえたばあいの計算結果である。】
おもな特徴
水平に近い対流は、低緯度と高緯度のあいだになるか、夏半球と冬半球のあいだになるか?
衛星観測 (Earth Radiation Budget Experiment S4データセット, 1985年2月--1989年5月)による。
(データはちがうが) 佐藤 (2019) 9.2節 の 図9-6 (135ページ) と同じ趣旨の図。
低緯度では収入が、高緯度では支出が多い。
これだけだとエネルギーのたまりが定常にならない。 実際には、大気と海洋の運動による南北方向のエネルギー輸送があって、 準定常状態になっている。
緯度帯別の放射収支の不均衡があるにもかかわらず、 気候システムは (年変化などをならしてみると) 準定常状態にある。 緯度帯別のエネルギーのたまりが準定常であるためには、 緯度帯間の南北方向のエネルギーの輸送がなければならない。 それは、(放射や熱伝導ではありえないので) 大気または海洋の質量の動きにともなうエネルギーの移流であるはずだ。
[↓ 大気と海洋による年平均の南北方向のエネルギー輸送（×10 15 W）
1978年12月-1979年11月の計算結果（増田の1988年の論文による）.
(a) 大気と海洋の合計（Nimbus 7 衛星ERBデータから計算. ERBはEarth Radiation Budget.)
(b) 大気（ヨーロッパ中期天気予報センターによるFGGE 3b 気象データから計算,
FGGEはFirst GARP Global Experiment, GARPは Global Atmospheric Research Program.)
(c) 海洋（aとbの差）.]
大気と海洋が、両半球とも極むきにエネルギーをはこんでいる。 大気と海洋のはたらきは同じけただが、どちらかといえば大気のほうが大きい。
大気のどのような運動がはこんでいるのか? 低緯度で上昇し高緯度で下降するような南北・鉛直循環なのか?