氮气分子的三键连接

氧气分子由两个通过强（短）双键连接的氧原子（O）组成：

氧气分子的双键连接

由于氮气和氧气都是由强键连接，其结构稳定，那些穿过了大气层的光子能量通常不足以激发它们振动；当它们被光子激发时，分子仅在轴向上发生极轻微的线性振动，两个原子间像是连着一根硬弹簧，它们只是稍稍靠近又稍稍远离，因此氮气和氧气基本不对外辐射热能，也不被认为是温室气体。

拥有3个或更多原子的分子可以以更复杂的模式振动。单个分子可以以各种方式振动；这些不同运动中的每一个被称为一种振动“模式”。二氧化碳（CO₂）分子具有三种不同的振动模式，如下图所示：

二氧化碳分子的三种振动模式

二氧化碳分子由中心的碳原子（C）与两个具有弱（长）双键的氧原子（O）连接组成，分子中的电荷非对称分布，与氮气和氧气相比，二氧化碳的原子键就像是一根细弹簧，松弛且柔软。具有更多（和更复杂的！）振动模式的分子更可能与通过的电磁辐射波相互作用，这就是二氧化碳吸收和发射红外（IR）辐射的原因，而氮和氧分子却没有。这种吸收红外波的能力使二氧化碳成为温室气体。

水蒸气（H₂O）分子也具有与二氧化碳相似的振动模式，使其与通过的IR波相互作用。不同的是水分子是一种极性分子，它比二氧化碳更复杂，因此水蒸气是一种比二氧化碳更强的温室气体。

甲烷（CH₄）是在地球大气层中少量存在的气体，又被称为天然气。甲烷分子是最简单的碳氢化合物，其中间是单个碳原子（C），被四个相等距离的氢原子（H）包围，通过弱（长）单键连接。

甲烷的分子结构

甲烷是一种比二氧化碳更强大的温室气体，它的化学键有更多更复杂的振动模式，因此甲烷可以吸收更多的电磁波能量再将其辐射出去。

我们的地球从太阳获取绝大部分的能量，通过分子的振动将其转化为热能辐射出来。从宏观角度，地球吸收和对外辐射的能量是相等的。

由于地球大气层中有温室气体，有相当一部分能量被保留在地面附近进行热循环，这为地球生命的产生和繁衍创造了条件。

单原子和双原子气体不成为温室气体，这是由其受辐射后的振动模式决定的，双原子气体如氮气、氧气等的键合强大，它们不容易受激发产生振动。

二氧化碳、水蒸气、臭氧和甲烷等气体由三个以及三个以上原子构成，它们的化学键长且弱，并且电荷分布不均，在红外线的激发下，这些气体再容易发生共振现象，分子通过振动又向外辐射热能，使得这些气体可以更有效地保存和传递热量。