Теплообмен между подстилающей поверхностью и более глубокими слоями суши и океана происходит в результате разных физических механизмов.

Теплообмен в почве (молекулярный) на произвольной глубине:

,

(6)

где А – поток тепла; λ – коэффициент молекулярной теплопроводности почвы; – градиент температуры (с глубиной).

Если  температура почвы с глубиной уменьшается, то молекулярный поток тепла А>0, следовательно, тепло переносится от подстилающей поверхности в глубь почвы, и наоборот, если А<0, то поток направлен к подстилающей поверхности (это бывает когда радиационный баланс<0). Теплопроводность λ зависит от плотности почвы, состава,  влажности. Таким образом, теплообмен зависит от градиента  температуры, от радиационного баланса и от интенсивности турбулентного теплообмена в приземном слое, от влажности воздуха.  Годовой ход потока тепла в почву связан с годовой амплитудой температуры воздуха. Если годовая амплитуда температуры воздуха небольшая, то средние месячные значения А в почву близки к 0. Расчеты показали, что действительно при годовой амплитуде температуры воздуха меньше 10–15° месячные суммы потока тепла в почву малы и могут не учитываться в приближенных расчетах теплового баланса (малые годовые амплитуды температуры имеют место в тропических районах, во многих областях морского климата умеренных широт). Исследования В.В. Мухенберг показали, что если годовая амплитуда равна 10-15 °С, то А_макс=15–22 МДж/м² в месяц, а если годовая амплитуда равна 35–40 °С, то А=52–63 МДж/м² в месяц. В годовом ходе при годовой амплитуде воздуха равной 40 °С, потоки тепла в почву изменяются от – 53,4 МДж/м² в декабре до 62.8 МДж/м² в апреле. (В апреле А – максимальный, так как в это время наблюдается наибольшее увлажнение почвы после таяния снега.) На теплообмен в почве влияет снежный покров, который уменьшает потоки тепла в холодное время года.