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我们生活在一个充满能量的世界。我们不需要太多的物理知识就能认识到能量在自然界中流动的规模。我们日常天气系统和区域气候差异，都是太阳热能从温暖的赤道向寒冷的极地大规模再分配现象的一部分。信风、海流和喷射气流也是地球在遵循热力学第二定律时寻求热平衡所产生的现象。
在过去的约50年里，我们已经认识到地球是一个不同子系统相互作用的复杂系统。我们所称的地球系统科学就是关于五个“圈”之间能量和物质交换的理论：大气圈（地球表面上薄薄的一层气体）、生物圈（所有的生物）、水圈（淡水和咸水）、冰冻圈（冰和冰川）和岩石圈（岩石、火山）。由于大气圈的作用，地球能够保持一个相对舒适的全球平均地表温度，大约为15℃。如果没有大气圈，地表温度将下降33℃，为-18℃。
图2-2 地球系统
地球是一个开放的能量系统：它接收来自太阳的能量，并将大致等量的能量反射回太空。太阳电磁能通量从太阳向四周辐射。作为一个距离太阳较远且相对较小的天体，地球接收到的能量仅相当于太阳总辐射能量的极小部分——事实上，太阳释放的能量大约是地球吸收的能量的22亿倍。
我们都是采摘阳光的星尘。
——卡尔·萨根（Carl Sagan）
太阳能量每秒辐射到地球的平均功率是1.74×10 17 瓦，或者是174帕瓦。通过大气层顶部的太阳辐射能量平均约为1370瓦/平方米（由于地球位于公转轨道的位置不同而增加或减少3.5%）。虽然这个数字随时间稍有变化，但我们称它为太阳常数。地球的表面积是太阳“看到”的圆盘（即地球面向太阳的半球）面积的4倍。将总流量除以4，我们就得到了通过大气层顶部的太阳辐射的平均功率密度（单位面积功率），约为342瓦/平方米。如果地球没有将这么多的能量反射回太空，随着时间的推移，地球会升温或降温。事实上，由于燃烧化石燃料、滥伐森林和农耕而导致的温室气体浓度上升，已经使地球进入了全球变暖的阶段，我们将在第3章讲到这一点。
2019年，我们的全球经济以19万亿焦耳/秒的速度消耗着所有形式的一次能源
。为了更易于将自然界中可再生能源的流量与当前全球一次能源消耗速度进行比较，我们可以简化这些有时令人困惑的能量单位。我们可以将世界消耗所有形式的一次能源的速度称为1世界瓦（worldwatt）。我们在接下来的章节中深入了解地球系统及其可再生能源的流量时，这个能量单位是一个非常方便的衡量标准。从太阳那里接收到的87帕瓦的辐射能量（简便计算为170瓦/平方米乘以地球表面积）大约是4500世界瓦。太阳辐射能量的可用性比我们以浪费化石燃料驱动的全球能源经济要大上数千倍。换句话说，在不到2小时（115分钟）的时间里，太阳辐射的能量相当于全球经济1年消耗的一次能源的总量。
电磁能量的传递是按波长的长短（从短波的伽马射线到长波的无线电波）来分布的。其中大约9%的能量来自紫外线，39%来自可见光谱，剩下的52%来自红外线。来自太阳的能量包含相对较多的短波辐射能量，而地球反射回来的能量包含相对较长的长波（红外）辐射。
大约30%的太阳辐射立即被云层与地球表面反射回太空（这就是为什么地球在外太空看起来那么的秀丽），另有20%的太阳辐射在大气层中反射，产生的温室效应使我们的地球比月球更温暖。当剩下的太阳辐射穿过稀薄的大气层时，太阳辐射能量全球一年的平均功率密度为170瓦/平方米（大约是大气层顶端的平均功率的一半）。太阳每年向地球表面传递的能量总计为87帕瓦。在太阳光直射的晴天，（接近赤道的）海平面上的太阳辐射瞬间会达到1000瓦/平方米。陆地、海洋、山脉和云层的相互作用可以使到达地表的太阳辐射量产生巨大的变化。
图2-3 煤炭的形成
为工业革命提供动力的煤炭形成于大约3亿年前的一个被称为石炭纪的地质时期。石油和天然气沉积在侏罗纪晚期和白垩纪时期（约2亿到6500万年前）的沼泽中。在地球气候史上相对凉爽和潮湿的时期，树木和海洋生物将大气中大量的碳封存到陆地和海洋中，形成了我们今天使用的石油、天然气和煤炭储备。化石燃料是由植物和海洋动物形成并由地质储存起来的碳，它们是“古老的阳光”。虽然容易开采的煤炭、石油和天然气几乎都被开采了，但仍有大量的化石燃料储存在地下。最乐观的猜测是，到目前为止，我们大约已经消耗了化石燃料总量的10%。对剩余的化石燃料能源储量的粗略估计是200泽塔焦耳（1泽塔焦耳是10 21 焦耳）。从太阳能的角度来看，所有储存在地球上的化石能量大约相当于26天内到达地球表面的太阳辐射总量。
地球的地轴倾斜、季节变化、云层、海洋和大陆都影响着到达地球表面的太阳辐射量。多云天气会使每年平均到达地面的太阳辐射量产生较大的局部差异：一个经典例证是云层笼罩的瓦胡岛（150瓦/平方米）和珍珠港（250瓦/平方米）之间平均太阳辐射量的差异，两者仅相隔15千米。
除了一小部分地球内部热能和重力势能，到达地球的太阳辐射是地球生命活动中大多数物理和化学反应过程的核心驱动能量。我们依赖太阳生活。在现代社会之前，我们的祖先还过着100%依赖可再生能源的生活方式。这种生活方式基于太阳的能量，以植物为食，借用动物的力量以及少量的水能和风能。相比之下，当今复杂的高能量社会依赖大量化石燃料的物质流，而其中很大一部分被我们浪费了。就地球整体能量平衡而言，除了直射太阳通量（direct solar flux），重力势能、地球潜热和自身释放的热核能量的贡献都较小。
理论上，我们可以获取各种大量的可再生能源，但实际上，当我们考虑到获取这些能量流的经济成本以及出于其他目的（如种植粮食）而竞争土地的使用权时，可获取的可再生能源的数量就会少得多。我们还需要警惕从纯物理学的角度测量自然界中能量的存量和流量。能量的确无处不在，我们可以计算出分子中的能量、大积雨云中的能量、火山爆发中的能量、海洋中的能量甚至是地球自转的动能，但获取这些能量再加以利用则是另一回事。