天体红外辐射的能量被大气分子吸收后，分子从低能级跃迁到高能级，其中分子振动能级的跃迁会吸收红外波长的辐射，部分分子的转动能级跃迁会吸收远红外波长辐射，从而使地面接收到的光谱出现吸收线。每条谱线有一定宽度，有的谱线连成一片形成吸收带（图1）。

图1 1～100微米的大气吸收

地球大气的主要成分是氧气（O₂）和氮气（N₂），它们是对称分子，振动时不吸收15微米以下的红外线。大气中对红外线吸收强烈的分子有水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、臭氧（O₃）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、一氧化二氮（N₂O）等。而对红外吸收最强的是H₂O和CO₂，它们的纯转动吸收带和转动-振动吸收带主宰红外和亚毫米波段。

图2 不同大气分子对红外辐射的吸收率

这些吸收带之间的空隙在近、中红外形成一些清晰度较好的可观测窗口，这些窗口在天文学中为约翰逊-格拉斯（Johnson Glass）JHKLMNQ红外测光系统：

25微米以上的远红外辐射，除了34、350微米波段有部分窗口外，地面大气层对这部分红外辐射是完全不透明的，但是气体分子含量会随地点、海拔高度而变。H₂O集中在4千米以下的大气层，海平面上含量约3%，10千米以上基本不用考虑H₂O吸收。CO₂约占大气体积的0.033%，在大气层50千米内基本均匀分布。6千米以上时，H₂O含量很低，CO₂吸收作用显著。10千米以上则主要是CO₂吸收。O₃主要集中在23千米的高度上，浓度约为0.001%。低空辐射或地面辐射基本不考虑其吸收。当升到28千米以上时，地球大气对红外就几乎是透明的了（图3）。所以红外观测往往选择高海拔站点，而要在大部分红外区域进行观测，必须把望远镜搭载在探空气球、飞机、火箭、卫星上，在高层大气或宇宙空间进行观测。

图3 红外波段在地球上不同高度的透射率（a）和发射率（b）

空气中的分子、气溶胶等悬浮颗粒会造成红外辐射在大气中的散射。大气中的空气分子呈垂直分布，高度越高密度越小。而大气悬浮颗粒分布则受天气、地形、火山活动、人类活动等多种因素影响。明亮天体如太阳、月亮造成的散射在白天使天空呈现蓝色，在夜晚掩盖天体微弱的红外信号，从而影响可见光和红外波段的地面天文观测。

大气对红外辐射的散射分为两种，当波长λ大于散射颗粒尺度a时，为瑞利散射。如空气分子对红外辐射的散射，即为与1/λ⁴成比例的瑞利散射。对碳氢化合物、硅酸盐尘埃颗粒等悬浮颗粒，波长λ小于颗粒尺度a，则遵从米氏散射规律。通常对于水珠或尘埃颗粒这类电解质球体，散射强度随1/λ变化。两种散射效应都会随着红外波长增加而减小。