La prima attività ha lo scopo di definire la composizione dell'atmosfera a lungo termine, ed in particolare è dedicata al monitoraggio dei principali gas serra come anidride carbonica (CO₂), metano (CH₄), protossido di azoto (N₂O) e clorofluorocarburi (CFC-11 e CFC -12). La loro concentrazione atmosferica è notevolmente aumentata negli ultimi 200 anni a causa delle attività umane, e sono indicate come in grado di influenzare la temperatura globale della Terra.
Infatti tutte queste molecole hanno forti bande di assorbimento nella gamma spettrale dell'infrarosso; conseguentemente l'aumento della loro concentrazione in atmosfera induce un aumento dell'opacità dell'atmosfera che riduce la capacità del sistema terra di rilasciare energia verso lo spazio.

La seconda attività di ricerca è dedicata allo studio del bilancio radiativo, e di alcuni importanti parametri che possono influenzarlo. Lo studio è condotto combinando misurazioni a lungo termine e campagne intensive.
A lungo termine vengono misurati i flussi radiativi (componente verso l'alto e verso il basso della radiazione ad onda corta e lunga, la radiazione spettrale nell'ultravioletto, la radiazione globale, diretta e diffusa in alcune bande selezionate) e alcune quantità rilevanti (ozono e vapore acqueo totali, spessore ottico dell'aerosol, contenuto di acqua liquida delle nubi) vengono misurate in continuo.
Durante campagne intensive vengono aggiunti ulteriori strumenti (palloni meteorologici, lidar, radiometri e spettroradiometri in diverse bande spettrali) per ottenere una caratterizzazione più dettagliata della struttura e composizione atmosferica e dei flussi radiativi in superficie. Se disponibili, vengono utilizzate anche osservazioni compiute da satelliti o da aerei. Le misure delle grandezze radiative sono mantenute sulla stessa scala assoluta attraverso calibrazioni periodiche utilizzando lampade tracciabili NIST, e mediante verifiche di routine delle misure ridondanti.
Le misurazioni raccolte vengono analizzate in maniera integrata, anche mediante l'uso di un dettagliato modello di trasferimento radiativo sviluppato specificamente per descrivere con precisione la struttura verticale atmosferica e le proprietà dell'aerosol.

Nell'agosto 2015 è stato installato l'Osservatorio Oceanografico a circa 15 km a sudovest dell'Osservatorio Atmosferico, ad una profondità di 74 m. L'Osservatorio Oceanografico è costituito da una meda elastica equipaggiata con una serie di sensori per il monitoraggio di parametri atmosferici e marini, ed è stato sviluppato nell'ambito del progetto Bandiera RITMARE.
L'Osservatorio Oceanografico è stato messo in funzione l'anno successivo, con l'installazione di strumenti in collaborazione con il CNR-ISMAR. I sensori operativi includono, nella sezione atmosferica: una stazione meteorologica con anemometro sonico, radiometri solare ed infrarosso, sensore di radiazione fotosinteticamente attiva (PAR), radiometro a 7 bande (CNR-ISMAR). Nella parte sommersa: sensori di pressione e temperatura a 1 e 2 m, sensore di pressione, temperatura, salinità, ossigeno disciolto a 18 m, radiometri a 7 bande a 2.5 e 6 m, sensore di clorofilla, CDOM, backscattering(CNR-ISMAR).