很多人都看過種植作物的溫室，它的工作原理是這樣的。當陽光照射到溫室的玻璃或透明薄膜時，大部分光會穿透照到溫室內部。然后這些光會被吸收，并重新向外輻射波長更長的紅外線。我們看不到這種紅外線，但我們可以感覺到它，因為它會讓我們感覺很溫暖。但是，玻璃會捕獲紅外，阻止能量向外散射，從而使溫室變暖。

我們的地球也如溫室，大氣層就像玻璃一樣，對來自太陽的大部分光是透明的：一些光被高層大氣吸收，一些被反射，但是大部分光可以照射到地球表面。這使得地表開始升溫，而地表又發出重新輻射紅外線。但紅外光并不容易穿過大氣層，因為空氣中的一些分子會吸收它。這就是所謂的溫室氣體，二氧化碳就是其中之一。更多的二氧化碳會導致更多紅外輻射被吸收，從而使地球變暖。

事實上，溫室效應并不那么簡單，這次我們添加一些物理知識，使我們對溫室效應的理解更加完整。陽光包含許多不同的頻率，頻率與光子的能量成正比，所以頻率越高意味著能量越高。頻率與光的波長成反比，波長越長意味著能量越低。

如果將能量繪制為其頻率的函數，則可以得到所謂的光譜，下圖就是所謂的太陽光譜。但這個光譜的形狀并不是特定于太陽的，任何恒定溫度下物體的光譜都有像這樣的形狀。溫度越高，頻譜向更高頻率移動的越多，發射的能量越高；溫度越低，發射的能量越少，這就是普朗克定律。如果你知道溫度，那么普朗克定律會告訴你發射什么頻率的光，以及總共發射多少能量。

如果陽光照射到地球表面上，它就會被吸收并重新發射。正如我們剛剛所說的，輻射光譜取決于溫度。但地球的溫度是多少？地球從太陽獲得一定量的能量，地球的溫度就會升高，直到發射的能量與來自太陽的能量相同。當能量輸入與能量輸出相同時，該系統處于平衡狀態并且不會進一步變化，這意味著人們可以根據陽光的量計算行星表面的溫度。

如果地球沒有大氣層，它的表面溫度將是-18攝氏度。幸運的是，地球確實有大氣層，可以讓我們保持溫暖，其工作原理如下。當某些頻率的光照射到分子時，分子會產生共振，這將光能轉化為分子的運動，即熱能。但大多數空氣分子不會因紅外線而振動，氮氣和氧氣占地球大氣的99%，但它們都不會因紅外線而共振。

另一方面，當光照射到溫室氣體時，它們會產生振動，然后這些振動的分子會撞到其他空氣分子，這樣就會在空氣中分配能量。而這些分子也會再次發出紅外線，將其傳播到整個大氣層。地球上最相關的溫室氣體是水蒸氣、二氧化碳和甲烷，就是它們使地球變暖。

地球大氣中含有溫室氣體，那么地表發出的紅外輻射就會被它們吸收，這會加熱空氣并再次發出一些輻射，因此紅外輻射會從地表緩慢地穿過大氣層。如果到越來越高的地方，空氣會越來越稀薄。即使溫室氣體的濃度保持不變，單位體積的溫室氣體總量仍然會下降。最終溫室氣體變得很少，紅外輻射可以逃逸到外太空。這意味著離開我們星球的大部分紅外輻射并不是來自它的表面，它來自距地表以上幾公里的高度。

這就是溫室效應的真正作用原理。大氣中的溫室氣體阻止了來自地表的紅外輻射直接進入太空。相反，進入太空的紅外輻射來自高層大氣。來自高層大氣的輻射必須平衡來自太陽的能量流入。因為大氣層的溫度隨著高度的增加而降低，所以地球表面的溫度必須比沒有溫室氣體時高得多。

此外，我們還要認識到的一點就是，就是這些溫室氣體在所有波長上吸收紅外線的效果并不相同，它們只吸收紅外光譜的某些部分的光。通過研究這些氣體的吸收譜，科學家發現在0.8～15μm的波長范圍內有吸收紅外線較弱的波段，這些波段被稱為大氣窗口。

紅外大氣窗口的發現和研究對于紅外探測技術有著深遠的影響。在這些波段內，大氣對紅外輻射的傳輸特性較好，使得物體的紅外輻射能夠被探測設備所識別。這對于氣象預報、環境監測、天文觀測以及軍事偵察等領域都至關重要。此外，還有科學家研究一些特殊的材料，這些材料可以通過大氣窗口直接向外太空輻射熱量，使材料的冷卻得到加強。