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随着太阳系外行星领域的快速发展，探测行星大气正在成为该领域的前沿方向。行星大气探测的常见方法是凌星法，即在行星运行至主星前时观测行星大气的透射光谱。对于大部分正在建设和规划中的下一代光学望远镜来说，一项主要的目标是探测类地行星的大气以及搜寻系外地球。当下，将地球自身看成系外行星进行观测，将为未来探测类地行星大气提供重要的参考价值。 本论文的主要内容是通过月食来观测地球的凌日现象，从而研究系外地球大气透射光谱中可探测的信号，并且探索未来类地行星大气的探测手段。论文的第二到四章分别描述了采用不同方法并且拥有不同科学目标的三次月食观测。我们的第一次月食观测使用了国家天文台兴隆观测站2.16米望远镜于2011年进行。该观测获得了地球大气的高分辨率和高信噪比的透射光谱。我们构建了地球大气的透射光谱模型来定量地研究大气透射谱中的各项成分。该研究使得我们可以更好地了解类似地球的系外行星中有哪些大气信号可以被探测到。第三章描述了使用Canada France Hawaii Telescope观测2014年月食获得的一系列不同月食阶段的光谱。通过对这一系列光谱的研究，我们证明月食光谱中存在着显著的太阳谱线的中心-边缘变化效应，该效应使得月食光谱中太阳谱线深度发生变化。我们通过该研究证明前人在地球大气透射光谱中探测到的钠原子和钙离子信号并不是地球大气中的吸收信号，而是由太阳谱线的中心-边缘变化效应引起的。鉴于系外行星凌星和月食过程的类似性，我们进一步研究了系外行星凌星中该效应对行星大气探测的影响。第四章描述了使用欧洲南方天文台的HARPS光谱仪于2014年进行的第三次月食观测，该观测获取了月食光谱的高精度视向速度。因为恒星的自转，行星在凌星的过程中会遮挡不同的恒星盘面部分，从而导致凌星过程观测到的视向速度发生变化。这一效应称为Rossiter-McLaughlin(RM)效应。我们通过HARPS的月食观测，首次得到地球掩食太阳的RM效应。更进一步的，我们研究了不同波段的RM效应。由于地球大气在不同波段的吸收会导致地球有效半径随波长而变化，从而不同波段的RM效应反应了地球大气的透射光谱。我们通过该RM方法探测到了地球大气中的臭氧以及瑞利散射。我们提议该RM方法可以成为探测类地行星大气的重要方法。 除了月食之外，还有另外一种将地球当成系外行星观测的方法:通过木星的卫星来观测地球凌日。我们联合中国和西班牙总共6台望远镜于2014年1月观测了Europa和Ganymede视角的地球凌日。该观测的目标是获取地球凌日的光变曲线。具体的数据分析正在进行中。