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Aunque la cantidad de agua contenida en la atmósfera constituye una mínima parte de la existente en nuestro planeta, su importancia es vital: participa en procesos de regulación de temperatura, en el ciclo del agua, en fenómenos climáticos e, incluso, en desastres naturales.
En la atmósfera, que es la capa de gases que recubre la superficie de nuestro planeta, las moléculas de ozono (forma de oxígeno formada por tres átomos), de vapor de agua, una parte de las nubes y en menor medida algunos otros gases y partículas tienen la propiedad de absorber una fracción de la radiación solar que incide (19 por ciento), evitando que llegue a la superficie terrestre. Esta absorción se da principalmente en longitudes de onda corta (ultravioleta) o muy larga. Sin embargo, hay otras longitudes de onda, como las correspondientes a la luz visible y parte de la infrarroja, a las que la atmósfera es prácticamente transparente, por lo que constituyen la mayor parte del restante 51 por ciento de radiación solar que finalmente llega a continentes y océanos. La energía solar no llega uniformemente a toda la superficie del planeta, y es mayor la energía recibida en las regiones tropicales y subtropicales.
La superficie terrestre, luego de absorber esta entrada de energía, la reemite a su vez en forma de radiación de onda larga o infrarroja. Gracias a la capacidad de absorción, principalmente del vapor de agua pero también de otros gases, se da el llamado efecto invernadero, en el cual gran parte de esa energía saliente es capturada por la atmósfera y regresada a la superficie terrestre, proceso que modula la pérdida de calor y resulta en una temperatura global promedio en el planeta de alrededor de 15 grados centígrados.
Esta temperatura hace posible, entre otras cosas, que el agua se encuentre presente en sus tres fases, lo que permite el almacenamiento, transporte y redistribución de la energía y da lugar al sistema climático característico de este planeta. El balance entre energía entrante y saliente se complementa con radiación terrestre con longitudes de onda que no son absorbidas por la atmósfera, por lo que escapan al espacio; a esta región del espectro electromagnético se le llama ventana atmosférica.