Атмосфера Земли оптически неоднородна. С увеличением высоты показатель преломления ее непрерывно уменьшается. Световой луч в атмосфере проходит как бы через множество тонких, параллельных друг другу, слоев. В результате луч света, в атмосфере искривляется. Это явление называют рефракцией света в атмосфере. При рефракции искривление светового луча может достигать таких значений, при которых становятся видимыми объекты, находящиеся за горизонтом.
Рефракция отсутствует для лучей, идущих от объекта, находящегося в зените. Однако при смещении объекта из наивысшего положения она возникает и увеличивается по мере приближения объекта к линии горизонта.
В качестве дифракционной нерегулярной решетки может служить совокупность большого числа любых неоднородностей в объеме. Например, мутная среда, в которой взвешено множество очень мелких частиц инородного вещества. К мутным средам относятся коллоидные растворы, облака, задымленные газы, туман и т.п. В такой среде свет дифрагирует на неоднородностях и распространяется по всевозможным направлениям. При этом не возникает определенной дифракционной картины. Поэтому дифракцию света в мутных средах называют рассеянием света. Из-за рассеяния солнечного света на пылинках лучи света становятся видимыми в воздухе.
Определенный интерес представляет молекулярное рассеяние света в чистых средах: жидкостях и газах, очищенных от посторонних частиц. Источником рассеяния света в таких средах являются незначительные флуктуации плотности. Возникают флуктуации плотности вследствие хаотического теплового движения молекул среды. Интенсивность рассеянного света при молекулярном рассеянии мала и становится заметной при прохождении света через толщу рассеивающей среды, например, атмосферного воздуха. Следует обратить внимание и на то, что наличие в воздухе пыли и капелек воды приводит к дополнительному рассеянию света.
В 1871 г. лауреат Нобелевской премии Стретт Джон Уильям Рэлей сформулировал закон, согласно которому интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты света или, иначе говоря, обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны . С помощью закона Рэлея нетрудно объяснить голубой цвет дневного неба, оранжевый цвет Солнца в дневное время и красный — при восходе и заходе его за горизонт. Так как интенсивнее рассеиваются световые волны с более высокими частотами, то спектр рассеянного света будет содержать высокие частоты, а спектр света, остающегося в потоке. — низкие. В первом случае белый цвет становится голубым, а во втором — оранжевым или красноватым. Глядя на дневной небосвод, наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере. Спектр этого света, согласно закону Рэлея, содержит интервал высоких частот. Этим-то и обусловлен голубой цвет неба. Флуктуации плотности и интенсивность рассеяния пропорциональны температуре. Поэтому небо ясного летнего дня является более колоритным в сравнении с таким же зимним днем.
Глядя же на Солнце, наблюдатель воспринимает свет, проходящий через атмосферу, без рассеяния. Спектр этого света содержит интервал низких частот. И солнечный диск в дневное время кажется оранжево-желтым. Чем ближе Солнце к линии горизонта, тем более длинный из-за рефракции путь проходит свет в атмосфере. Интервал частот при этом сдвигается в сторону более низких частот. Поэтому восходящее Солнце видится наблюдателю красным. Вполне понятно и то, почему нижняя часть солнечного шара выглядит более красной, нежели его верхняя часть. Флуктуации плотности воздуха в значительной степени определяются состоянием атмосферы: различных слоев воздуха. Именно в связи с этим в ясную погоду закат — золотистый, а в ветреную — багровый.