大气层具有温室效应并不意味着所有大气成分都对温室效应有贡献。实际上只有几种含量很少的痕量气体具有温室效应，它们分别是：CO2、H2O、CH4、N2O 和O3等.这几种气体在大气中所占的比例都非常小，通常被称为痕量气体。相反，大气的主要成分N2和O2则没有温室效应。这些痕量气体与N2和O2 在温室效应上的差异，主要是由于它们的分子结构决定的。图1是4种温室气体的分子结构。CO2和N2O分子中的三个原子呈直线排列，该分子结构决定了它们没有永久性的偶极矩，因为无论从其哪一端来看都是相同的，因此，不可能有单纯的转动跃迁，也就是说没有单纯的转动能量变化。但是，这种线性排列的分子有三种振动模态：对称拉伸、非对称拉伸和弯曲。当分子结构从基本态向任何一种振动态转化时，都需要吸收一定的能量，根据量子力学的原理，吸收或放出的能量是量子化的，也就是Eυ=nhυ(n=1,2,3,…)。振动跃迁需要的光子频位于电磁波红外波段，如CO2 的振动跃迁所需要的光子波长大约在15μm附近(主要对应于三种振动模态中的弯曲模态)。虽然CO2分子没有单纯的转动跃迁,但在产生振动跃迁时，会出现瞬时的偶极矩。所以，伴随着振动跃迁，也有瞬时的转动跃迁发生。这种振动-转动跃迁所吸收或放出的光子对应于一个较宽的频率带，而非一条线。水汽分子与CO2 的分子结构不一样，不是直线排列的，具有永久的偶极矩，所以，水汽分子除了具有振动-转动跃迁之外，还有单纯的转动跃迁。水汽有一个重要的振动-转动吸收带位于波长6.3μm处，另有单纯的转动模态位于波长大于12μm的红外波段。

图2是几种温室气体对应于太阳辐射和地球红外辐射的吸收谱。N2O在4μm和7μm的地方有两个强的吸收带；O3除吸收太阳的紫外辐射之外，在9.6μm的红外谱段也有一个强的吸收带；CO2除了在15μm处有一个强的吸收带，在2-4.5μm 的波段还有弱的吸收带；水汽是一个强的吸收性气体，从近红外到7μm的波段散布着一些吸收带。因为水汽具有单纯的转动跃迁，又因为转动跃迁所需要的光子能量较低，所以水汽在12—200μm之间均有强的近乎连续的吸收带。相对于这些温室气体而言，N2和O2仅吸收能量(频率)很高的光子，并且一旦吸收这些光子，就被光解。例如，O2吸收波长小于200nm的光子，后被光解，O2光解后生成两个氧原子，氧原子与氧分子结合生成O3。

从图2中可以看出，大气层对太阳辐射(尤其是占太阳辐射大部分的可见光)基本是透明的，而对地球红外辐射基本是不透明的。这也是大气层具有温室效应的本质所在。在地球红外辐射的峰值附近(大约10μm附近)，地球红外辐射可以相对多地穿越大气层进入太空，所以，这一波段通常被称为“大气窗口"。