De stralingsbalans verandert niet lineair met de concentratie broeikasgassen in de atmosfeer, maar de verhouding is logaritmisch. Dat heeft als gevolg dat het broeikaseffect bij een toename in de concentratie niet evenveel verandert, maar telkens wat minder zal toenemen.
Er zijn een aantal modellen die deze afhankelijkheid verklaren. Het makkelijkste is om naar de vorm van absorptielijnen te kijken. Broeikasgassen absorberen alleen straling met specifieke frequenties: de zogenaamde absorptiefrequenties van dat gas. Als je kijkt naar de sterkte van een bundel straling die door een broeikasgas heengaat, dan zie je dat de sterkte afneemt precies op de absorptiefrequenties van broeikasgassen.
Figuur 1 toont de typische vorm van een absorptielijn. Als de concentratie van het broeikasgas toeneemt wordt deze lijn hoger. Op een gegeven moment is alle straling in het centrum van de lijn geabsorbeerd: de amplitude is daar maximaal en stijgt niet meer*. Er kan op die frequentie dus niet nog meer straling worden opgenomen. Maar aan de randen (we noemen ze “vleugels”) van de absorptielijn kan de amplitude steeds nog stijgen. Dus het oppervlak onder de absorptielijn neemt weliswaar nog toe, maar niet meer lineair. Als je dit berekent kom je op de logaritmische afhankelijkheid tussen concentratie en absorptie. Deze situatie past bij de huidige concentraties van CO₂ in de atmosfeer: Het maximum van de CO₂ absorptielijn bij ongeveer 15 μm golflengte is verzadigd, en de stijging van de absorptie door de toename van de concentratie komt door de “vleugels” van de absorptielijn.
Figuur 1: Typische vorm van een absorptielijn als functie van de frequentie van de straling. De zwarte lijn toont de sterkte van de absorptie (y-as “amplitude”) bij een bepaalde frequentie. Het oppervlak onder de lijn in grijs is de totale absorptie van straling [1].
In de wetenschappelijke praktijk neemt men trouwens niet genoegen met dit soort conceptuele verklaringen (die ook versimpelingen kunnen bevatten, zie opmerking beneden), maar het stralingseffect wordt precies berekend in zo genoemde “line-by-line” modellen, waar de interactie van straling met moleculen in de atmosfeer expliciet berekend wordt. Ook uit deze ingewikkelde stralingsmodellen volgt een logaritmische afhankelijkheid van de absorptie van straling met de concentratie.
*Zoals de meeste makkelijke conceptuele modellen is dit niet helemaal correct. Als een absorptielijn verzadigd is, betekent het in de realiteit dat er meer broeikasgasmoleculen aanwezig zijn, en straling een kortere afstand aflegt voordat deze wordt geabsorbeerd. Maar deze moleculen stralen vervolgens ook weer energie uit, naar boven en beneden, en deze wordt dan weer van onder- en bovenliggende moleculen geabsorbeerd, enzovoort. Dus zelfs als een lijn verzadigd is neemt het aantal absorpties en emissies in de atmosfeer toe. De straling wordt zo effectiever vastgehouden. Dit verklaart bijvoorbeeld het extreme broeikaseffect op de planeet Venus. Venus heeft een hele dikke atmosfeer van 95% CO₂. Straling kan dus pas op grote hoogte de atmosfeer van Venus ontsnappen, waardoor er veel warmte wordt vastgehouden. Venus heeft een oppervlaktetemperatuur van boven de 450ºC. Bij deze temperatuur aan het oppervlak, is de temperatuur aan de bovenkant van de CO₂-atmosfeer zodanig hoog dat er net zoveel warmtestraling van Venus naar de ruimte ontsnapt als dat Venus straling ontvangt van de zon.
