thumb|Un cielo coloreado es a menudo debido a la dispersión de luz a través de partículas en suspensión y contaminación, como esta imagen captada en un atardecer durante los incendios forestales en California de octubre de 2007.
La óptica atmosférica es una disciplina que intenta explicar cómo las propiedades ópticas distintivas de la atmósfera terrestre causan una amplia gama de fenómenos ópticos.
El color café del cielo es un resultado directo de la dispersión de Rayleigh, que redirige la luz solar de una frecuencia más alta (azul) hacia el punto de observación. Como la luz azul es dispersada más fácilmente que la luz roja, el sol se ve de un tinte rojizo cuando es observado a través de una atmósfera de mayor espesor, como durante el amanecer o el ocaso. Otros materiales particulados en suspensión en el cielo puede dispersar diferentes colores en diferentes ángulos, creando resplandecientes cielos coloridos al atardecer y al amanecer.
La dispersión de los cristales de hielo y de otras partículas en la atmósfera son responsables por fenómenos tales como los halos, arreboladas, coronas, rayos crepusculares, y parhelios. La variación de estos tipos de fenómenos se debe a diferentes tamaños y geometrías de las partículas presentes en la atmósfera. Por su parte, los arcos iris son el resultado de una combinación de reflexión y refracción dispersiva de la luz en las gotas de agua. Ya que los arcos iris se observan entre el observador y el sol, son más prominentes mientras más cercano esté el sol al horizonte.Capítulo 34
Los fenómenos ópticos en donde los rayos de luz se tuercen debido a variaciones térmicas en el índice de refracción del aire son llamados espejismos, los que producen imágenes fuertemente distorsionadas o desplazadas de objetos distantes. Otros fenómenos ópticos asociados con la temperatura atmosférica incluyen al efecto Nueva Zembla y las Fata Morganas.
Tamaños aparentes del sol y la luna thumb|Comparación entre los tamaños relativos de la Luna y una nube a medida que se mueven más alto en el cielo.
En su Tratado sobre Óptica (del ), Alhacén argumentó que la visión ocurre en el cerebro, y que las experiencias personales tenían un efecto sobre lo que las personas veían y en cómo veían, y que, por lo tanto, la percepción visual era subjetiva. Contrario a la teoría de la refracción del sabio Ptolomeo, la cual afirmaba que las personas percibían el sol y la luna más grandes en el horizonte que cuando se encontraban a mayor altitud, Alhacén redefinió el problema en términos del agrandamiento percibido, más que real, de los astros. Decía que, juzgar la distancia de un objeto dependía de la existencia de una secuencia ininterrumpida de los cuerpos intermedios entre el objeto y el observador. Con la Luna, sin embargo, no existen objetos intermedios. Por lo tanto, ya que el tamaño de un objeto depende de su distancia observada, que es, en este caso, inexacta, la Luna parece más grande en el horizonte.
A través de obras de Roger Bacon, John Pecham y Witelo basadas en la explicación de Alhacén, la ilusión lunar poco a poco llegó a ser aceptada como un fenómeno psicológico, rechazándose la teoría de Ptolomeo en el . Por más de 100 años, las investigaciones sobre la ilusión lunar fueron llevadas a cabo por científicos de la visión que invariablemente fueron psicólogos especialistas en percepción humana. Tras revisar todas las diferentes explicaciones en su libro The Mystery of the Moon Illusion ("El misterio de la ilusión lunar"), Ross y Plug concluyeron que "Ninguna teoría por sí sola ha resultado victoriosa".Helen Ross, Cornelis Plug (2002). The Mystery of The Moon Illusion. Oxford University Press, USA. Page 180.
Formas de percepción de la luz Coloración del cielo thumb|Cuando se ve desde una altitud mayor, como aquí, desde un avión, el color del cielo varía de tonos pálidos a más oscuros el color del cielo varía de claro a oscuro en elevaciones acercándose al cenit.
La luz del cielo es producto de la radiación difusa de los rayos solares, que resulta en un color azulado percibido por el ojo humano. En los días soleados, la dispersión de Rayleigh da al cielo un degradé azul — oscuro en el cenit y claro cerca al horizonte. La luz que entra desde arriba se encuentra con una 38a parte de la masa de aire que la luz que se encuentra en un camino horizontal. Por lo tanto, unas pocas partículas dispersan los rayos del sol cenital, y por consiguiente la luz se mantiene de un azul más oscuro.Why is the sky bluer on top than at the horizon Lo azul está en el horizonte debido a que la luz azul que viene desde grandes distancias también está preferencialmente dispersada. Esto se traduce en un corrimiento al rojo de las fuentes lumínicas hasta que son compensadas con el tono azul de la luz dispersada en la línea de visión. En otras palabras, también la luz roja se dispersa; si lo hace en un punto a gran distancia del observador, tiene una probabilidad mucho mayor de llegar al observador que la luz azul. En distancias que se acercan al infinito, la luz dispersada es, por lo tanto, blanca. A lo lejos, las nubes o montañas nevadas se verán de color amarillo por esa razón; este efecto no es evidente en días despejados, pero es muy pronunciado cuando las nubes cubren la línea de visión reduciendo el tono azul de la luz solar dispersada.
La dispersión causada por partículas muy pequeñas (del tamaño de una molécula) es casi aleatoria. La dispersión en un ángulo de 90 grados es, todavía la mitad de la dispersión que se refleja o se va hacia adelante. Esto hace que el cielo azul esté casi siempre coloreado y que las nubes delgadas para formar un área blanca alrededor del sol, ya que las partículas grandes que componen las nubes se dispersen preferentemente solo en ángulos bajos. El polvo del Sahara se mueve alrededor de la periferia sur de la cresta subtropical y se desplaza por el sureste de Estados Unidos durante el verano, lo que cambia el cielo de un aspecto azul a uno blanco y causa un aumento de puestas de sol de color rojo. Su presencia repercute negativamente en la calidad del aire durante el verano, ya que le añade material particulado en suspensión.Science Daily. African Dust Called A Major Factor Affecting Southeast U.S. Air Quality. Consultado el 10 de octubre de 2007.
El cielo puede tornarse de una multitud de colores tales como rojo, anaranjado, morado y amarillo (especialmente cerca del atardecer o al amanecer) y negro en la noche. Los efectos de la dispersión también en parte polarizan la luz del cielo, más pronunciada en un ángulo de 90° del sol. Los modelos de distribución de la luminancia del cielo han sido recomendados por la Comisión Internacional de la Iluminación (CIE) para el diseño de sistemas de iluminación natural.eSim 2008 (May 20th - 22nd, 2008) General Sky Standard Defining Luminance Distributions
Irisación de las nubes
thumb|Iridiscencia en altocúmulos y cirrocúmulos. El color de una nube visible desde la Tierra, permite explicar bastante sobre lo que está ocurriendo al interior de la nube. Las densas y profundas nubes de la troposfera exhiben una alta reflectividad (del orden del 70% al 95%) a lo largo de todo el espectro visible. Las diminutas partículas de agua están agrupadas densamente, por lo que la luz del sol no puede penetrar profundamente en la nube antes de que sea reflejada hacia fuera, dándole su color blanco característico, sobre todo cuando se observa desde la parte superior.Increasing Cloud Reflectivity,Royal Geographical Society, 2010 Las gotas de agua de las nubes tienden a dispersar la luz con eficiencia, de modo que la intensidad de la radiación solar disminuye en los gases profundamente. Como resultado, la base de las nubes puede variar de un color gris muy oscuro a uno muy claro, dependiendo del grosor de la nube y de la cantidad de luz reflejada o transmitida al observador. Las nubes delgadas pueden tener un aspecto blanco o adquirir el color de su entorno o de su fondo. Las nubes altas, troposféricas o no, pueden aparecer mayormente blancas si se componen en su totalidad por cristales de hielo y/o gotas de agua muy helada.
A medida que madura la nube troposférica, las densas gotas de agua se pueden combinar entre sí para producir gotas más grandes, que a su vez pueden formar gotas lo suficientemente grandes como para precipitar en forma de lluvia. En este proceso acumulativo, el espacio entre las gotas se va haciendo cada vez mayor, permitiendo que la luz penetre más a través de la nube. Si la nube es lo suficientemente grande y las gotas en su interior están separadas por una distancia adecuada, es posible que un porcentaje de la luz que ingresa a la nube no se refleje de vuelta antes de ser absorbida. Un ejemplo de esto se puede notar al tratar de ver no más que una densa niebla cuando se suscitan lluvias fuertes. Este proceso de reflexión/absorción es lo que produce que la nube tenga una gama de colores que abarca varias tonalidades de blanco a negro.Clouds absorb more solar radiation than preveiously thought (blacker than they appear),Chem. Eng. News, 1995, p33thumb|left|Puesta de sol reflejando estratocúmulos en tonos anaranjados, rosados y grises. Otros colores pueden ocurrir naturalmente en las nubes. Los tonos gris-azulados son resultado de la dispersión lumínica dentro de la nube. En el espectro visible, el azul y el verde están en el extremo corto de las longitudes de onda visibles de la luz, mientras que el rojo y el amarillo se encuentran en el extremo largo. Los rayos cortos son más fácilmente dispersados por las gotas de agua, y los rayos largos más proclives a ser absorbidos. Un color azulado evidencia que tal dispersión está siendo producida por gotas del tamaño adecuado para producir lluvia al interior de la nube. Un tinte más verdino de una nube se produce cuando la luz solar es dispersada por cristales de hielo. Un cumulonimbus de color verde es señal de severas tormentas eléctricas, capaces de producir fuertes lluvias, granizos, fuertes vientos y posibles tornados.
Las nubes amarillentas pueden ocurrir desde finales de primavera a inicios de otoño durante la temporada de incendios forestales. El color amarillo se debe a la presencia de contaminantes en el humo, como el dióxido de nitrógeno que es a veces visible en algunas áreas urbanas con altos niveles de polución en el aire.Cities and Air Pollution, Nature, 1998, chapter 10 Las nubes rojas, naranjas y rosadas ocurren casi siempre durante el alba y el atardecer como resultado de la dispersión de la luz del sol en la atmósfera, pues en tales momentos del día el ángulo entre el sol y el horizonte es menor al 10%, con lo que la luz del sol se torna muy roja debido a la refracción de todos los colores distinto a aquellos más rojizos. Las nubes no se ponen de ese color, sino que reflejan los rayos largos y no dispersados de la luz solar, que son predominantes en esas horas. El efecto es muy parecido a si uno tuviera que enfocar una luz roja sobre una hoja blanca. En combinación con nubes de tormenta grandes y maduras, tal efecto puede producir nubes de color sanguíneo. Las nubes se ven más oscuras cerca del infrarrojo, pues el agua absorbe la radiación solar en esas longitudes de onda.
Rayos crepusculares thumb|Rayos crepusculares.
Los rayos crepusculares son rayos de sol más o menos paralelos moviéndose a través de la atmósfera terrestre, pero que aparecen divergir a causa de la perspectiva ortogonal. Suelen ocurrir cuando ciertos objetos, como cumbres de montañas o nubes parcialmente ensombrecen los rayos del sol. Varios compuestos del aire difuminan la luz solar y hacen visibles a estos rayos, debido a la difracción, reflexión, y dispersión.