大氣層具有溫室效應(yīng)并不意味著所有大氣成分都對(duì)溫室效應(yīng)有貢獻(xiàn)。實(shí)際上只有幾種含量很少的痕量氣體具有溫室效應(yīng)，它們分別是：CO2、H2O、CH4、N2O 和O3等.這幾種氣體在大氣中所占的比例都非常小，通常被稱為痕量氣體。相反，大氣的主要成分N2和O2則沒(méi)有溫室效應(yīng)。這些痕量氣體與N2和O2 在溫室效應(yīng)上的差異，主要是由于它們的分子結(jié)構(gòu)決定的。圖1是4種溫室氣體的分子結(jié)構(gòu)。CO2和N2O分子中的三個(gè)原子呈直線排列，該分子結(jié)構(gòu)決定了它們沒(méi)有永久性的偶極矩，因?yàn)闊o(wú)論從其哪一端來(lái)看都是相同的，因此，不可能有單純的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，也就是說(shuō)沒(méi)有單純的轉(zhuǎn)動(dòng)能量變化。但是，這種線性排列的分子有三種振動(dòng)模態(tài)：對(duì)稱拉伸、非對(duì)稱拉伸和彎曲。當(dāng)分子結(jié)構(gòu)從基本態(tài)向任何一種振動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)，都需要吸收一定的能量，根據(jù)量子力學(xué)的原理，吸收或放出的能量是量子化的，也就是Eυ=nhυ(n=1,2,3,…)。振動(dòng)躍遷需要的光子頻位于電磁波紅外波段，如CO2 的振動(dòng)躍遷所需要的光子波長(zhǎng)大約在15μm附近(主要對(duì)應(yīng)于三種振動(dòng)模態(tài)中的彎曲模態(tài))。雖然CO2分子沒(méi)有單純的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷,但在產(chǎn)生振動(dòng)躍遷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的偶極矩。所以，伴隨著振動(dòng)躍遷，也有瞬時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷發(fā)生。這種振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷所吸收或放出的光子對(duì)應(yīng)于一個(gè)較寬的頻率帶，而非一條線。水汽分子與CO2 的分子結(jié)構(gòu)不一樣，不是直線排列的，具有永久的偶極矩，所以，水汽分子除了具有振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷之外，還有單純的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷。水汽有一個(gè)重要的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)吸收帶位于波長(zhǎng)6.3μm處，另有單純的轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)位于波長(zhǎng)大于12μm的紅外波段。

圖2是幾種溫室氣體對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)輻射和地球紅外輻射的吸收譜。N2O在4μm和7μm的地方有兩個(gè)強(qiáng)的吸收帶；O3除吸收太陽(yáng)的紫外輻射之外，在9.6μm的紅外譜段也有一個(gè)強(qiáng)的吸收帶；CO2除了在15μm處有一個(gè)強(qiáng)的吸收帶，在2-4.5μm 的波段還有弱的吸收帶；水汽是一個(gè)強(qiáng)的吸收性氣體，從近紅外到7μm的波段散布著一些吸收帶。因?yàn)樗哂袉渭兊霓D(zhuǎn)動(dòng)躍遷，又因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)躍遷所需要的光子能量較低，所以水汽在12—200μm之間均有強(qiáng)的近乎連續(xù)的吸收帶。相對(duì)于這些溫室氣體而言，N2和O2僅吸收能量(頻率)很高的光子，并且一旦吸收這些光子，就被光解。例如，O2吸收波長(zhǎng)小于200nm的光子，后被光解，O2光解后生成兩個(gè)氧原子，氧原子與氧分子結(jié)合生成O3。

從圖2中可以看出，大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射(尤其是占太陽(yáng)輻射大部分的可見(jiàn)光)基本是透明的，而對(duì)地球紅外輻射基本是不透明的。這也是大氣層具有溫室效應(yīng)的本質(zhì)所在。在地球紅外輻射的峰值附近(大約10μm附近)，地球紅外輻射可以相對(duì)多地穿越大氣層進(jìn)入太空，所以，這一波段通常被稱為“大氣窗口"。