Тепловой баланс земной поверхности не характеризует все виды преобразования энергии в климатической системе, поскольку не учитывает процессы, протекающие во всей толще атмосферы. Учесть все составляющие теплового баланса можно, если рассмотреть приход и расход тепла в вертикальной колонне, проходящей через всю атмосферу, верхние слои океана или литосферу вплоть до уровней, где прекращаются сезонные колебания температуры.

Нагрев столба атмосферы может происходить в результате действия нескольких механизмов. К ним относятся:

а) поглощение солнечной энергии, определяемой как Q_s (1 – А_s), где Q_s – инсоляция, А_s – альбедо системы Земля – атмосфера;

б)  конденсация водяного пара, в результате чего выделяется скрытое тепло LC, где С – масса водяного пара, сконденсировавшаяся в единицу времени над единичной площадью;

в) перенос горизонтальными атмосферными движениями внутрь данного объема явного тепла Q₁;

г) перенос горизонтальными океаническими течениями внутрь объема явного тепла f₁.

Кроме притоков тепла необходимо учесть и возможные его стоки. К числу стоков тепла можно отнести:

а)  испускание в космическое пространство теплового инфракрасного излучения E_s;

б)  испарение воды, на которое расходуется тепло LE;

в)  горизонтальный поток явного тепла, выносимого атмосферными движениями из рассматриваемого столба Q₂;

г) горизонтальный поток явного тепла, который выносится океаническими течениями F₂.

Если обозначить изменение теплосодержания внутри выделенной колонны через T_s, то баланс энергии для этой колонны может быть записан следующим образом:

Сумма первого и пятого членов равенства (5) определяет все лучистые потоки тепла и является радиационным балансом системы Земля – атмосфера: В_s = Q_s(1–А_s) –Е_s. Если обозначить притоки скрытого и явного тепла через LΔC = L(E – С) и ΔQ = Q₂ – Q₁, ΔF = F₂ – F₁ то, учитывая, что за период, равный одному году, T_s близко к нулю, баланс энергии в системе Земля – атмосфера получим в следующем виде: