ในเวลาเดียวกันที่บรรยากาศดูดซับรังสีคลื่นยาวบนพื้นดินจะแผ่พลังงานออกไปข้างนอกในลักษณะที่เปล่งปลั่ง วิธีบรรยากาศของการแผ่พลังงานออกไปข้างนอกเรียกว่ารังสีบรรยากาศ เนื่องจากอุณหภูมิของบรรยากาศนั้นต่ําและความยาวคลื่นของพลังงานกระจ่างใสจะยาวขึ้นจึงเรียกว่ารังสีคลื่นยาวในชั้นบรรยากาศ ทิศทางของรังสีบรรยากาศทั้งขึ้นและลง ส่วนลงของรังสีบรรยากาศอยู่ตรงข้ามกับทิศทางของรังสีแสงอาทิตย์ดังนั้นจึงเรียกว่ารังสีย้อนกลับในบรรยากาศ รังสีย้อนบรรยากาศเป็นแหล่งความร้อนที่สําคัญบนพื้นดิน
เนื่องจากการดํารงอยู่ของรังสีย้อนกลับบรรยากาศการสูญเสียความร้อนที่เกิดขึ้นจริงบนพื้นดินน้อยกว่าที่ปล่อยออกมาจากรังสีแสงอาทิตย์บนพื้นดิน ผลฉนวนกันความร้อนของบรรยากาศนี้เรียกว่าผลเรือนกระจกบรรยากาศ ผลการเก็บรักษาความร้อนในบรรยากาศนี้เพิ่มอุณหภูมิใกล้พื้นผิวประมาณ 18 องศาเซลเซียส เนื่องจากดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศเหมือนโลกอุณหภูมิบนพื้นผิวของมันจึงเปลี่ยนแปลงอย่างมากทั้งกลางวันและกลางคืน อุณหภูมิพื้นผิวในระหว่างวันสามารถเข้าถึงอุณหภูมิ 127 °Cและสามารถลดลงถึง -183 ° C ในเวลากลางคืน
