miniatura|Lanzamento dun transbordador espacial ao solpor cun impresionante efecto de sombra. A óptica atmosférica é unha disciplina que trata de explicar como as propiedades ópticas distintivas da atmosfera terrestre causan unha ampla gama de fenómenos ópticos.
A cor azul do ceo é un resultado directo da dispersión de Rayleigh, que redirixe a luz solar dunha frecuencia máis alta (azul) cara ao punto de observación. Como a luz azul é dispersada máis facilmente que a luz vermella, o sol vese dunha tinguidura avermellada cando é observado a través dunha atmosfera de maior espesor, como durante o amencer ou o ocaso. Outros materiais particulados en suspensión no ceo poden dispersar diferentes cores en diferentes ángulos, creando ceos coloridos á tardiña e ao amencer.
A dispersión dos cristais de xeo e doutras partículas na atmosfera son responsábeis de fenómenos coma os halos, arreboladas, coroas, raios crepusculares, e parhelios.
A variación destes fenómenos débese a diferentes tamaños e xeometrías das partículas presentes na atmosfera. Pola súa banda, os arco iris son o resultado dunha combinación de reflexión e refracción dispersiva da luz nas pingas de auga. Xa que os arcos da vella aparecen entre o observador e o sol, son máis prominentes mentres máis próximo estea o sol ao horizonte.Capítulo 34
Os fenómenos ópticos onde os raios de luz se torcen debido a variacións térmicas no índice de refracción do aire son chamados espellismos, os que producen imaxes fortemente distorsionadas ou desprazadas de obxectos distantes. Outros fenómenos ópticos asociados coa temperatura atmosférica inclúen o efecto Nova Zembla e as Fata Morganas.
As auroras prodúcense cando unha exección de partículas solares cargadas choca coa magnetósfera da Terra (ou doutros planetas).
Tamaños aparentes do sol e da lúa dereita|miniatura|200x200px|Comparación entre os tamaños relativos da Lúa e unha nube a medida que se moven máis alto no ceo No século XI, Alhacén argumentou que a visión ocorre no cerebro, que as experiencias persoais tiñan un efecto sobre o que as persoas vían e que, por tanto, a sensación visual era subxectiva. Contrario a Ptolomeo, que atribuía á refracción o percibir o sol e a lúa máis grandes canto máis próximas ao horizonte, Alhacén redefiniu o problema en termos do agrandamento percibido, máis que real, dos astros.
A través de obras de Roger Bacon, Pecham e Witelo baseadas na explicación de Alhacén, a ilusión lunar aos poucos chegou a ser aceptada como un fenómeno psicolóxico, rexeitándose a teoría de Ptolomeo no século XVII. Por máis de 100 anos, as investigacións sobre a ilusión lunar foron levadas a cabo por científicos da visión que invariablemente foron psicólogos especialistas en percepción humana. Tras revisar todas as diferentes explicacións no seu libro The Mystery of the Moon Illusion ("O misterio da ilusión lunar"), Ross e Plug concluíron que "Ningunha teoría por si soa resultou vitoriosa".Helen Ross, Cornelis Plug (2002). The Mystery of The Moon Illusion. Oxford University Press, USA. Page 180.
Formas de percepción da luz
Cor do ceo dereita|miniatura|300x300px|Desde unha altitude maior, como desde un avión, a cor do ceo varía de tons pálidos a máis escuros achegándose ao cenit. Produto da radiación difusa dos raios solares, a cor do ceo resulta no azul percibido polo ollo humano. Nos días asollados, a dispersión de Rayleigh dálle ao ceo un degradado azul — escuro no cénit e claro preto do horizonte. A luz que entra desde arriba atópase cunha 38ª parte da masa de aire que a luz que se atopa nun camiño horizontal. Por tanto, unhas poucas partículas dispersan os raios do sol cenital, e por conseguinte a luz mantense dun azul máis escuro. O azul está no horizonte debido a que a luz azul que vén desde grandes distancias tamén está preferencialmente dispersada. Isto tradúcese nun corremento ao vermello das fontes lumínicas até que son compensadas co ton azul da luz dispersada na liña de visión. Noutras palabras, tamén a luz vermella se dispersa; se o fai a gran distancia do observador ten unha probabilidade moito maior de chegar ao observador que a luz azul. En distancias que tenden ao infinito, a luz dispersada é, por tanto, branca. De lonxe, as nubes ou montañas nevadas veranse de cor amarela por esa razón; este efecto non é evidente en días despexados, pero é pronunciado cando as nubes cobren a liña de visión reducindo o ton azul.
A dispersión causada por partículas moi pequenas (do tamaño dunha molécula) é case aleatoria. A dispersión nun ángulo de 90º é aínda a metade da dispersión que se reflicte ou se vai cara a adiante. Isto fai que o ceo azul estea case sempre coloreado e que as nubes delgadas poidan formar unha área branca ao redor do sol, xa que as partículas grandes que compoñen as nubes se dispersan preferentemente só en ángulos baixos.
O po do Sáhara móvese ao redor da periferia sur da crista subtropical e desprázase polo sueste de Estados Unidos durante o verán, o que cambia o ceo dun aspecto azul a un máis branco e causa un aumento de postas de sol de cor vermella. A súa presenza repercute negativamente na calidade do aire durante o verán, xa que lle engade material particulado en suspensión.Science Daily. African Dust Called A Major Factor Affecting Southeast U.S. Air Quality. Consultado o 10 de outubro de 2007.
Por diversas causas noutros planetas o ceo e os crepúsculos poden ser de distintas cores.
Os efectos da dispersión tamén en parte polarizan a luz do ceo, máis pronunciada nun ángulo de 90° do sol. Os modelos de distribución da luminancia do ceo foron recomendados pola Comisión Internacional da Iluminación (CIE) para o deseño de sistemas de iluminación natural.
Irisación das nubes miniatura|250x250px|Iridescencia en altocúmulos e cirrocúmulos. A cor dunha nube vista desde a Terra, permite explicar bastante sobre o que está a ocorrer no seu interior. As densas e profundas da troposfera exhiben unha alta reflectividade (da orde do 70% ao 95%) ao longo de todo o espectro visible. As diminutas partículas de auga están densamente empacadas, polo que a luz do sol non pode penetrar profundamente na nube antes de que sexa reflectida cara a fóra, dándolle a súa cor branca característica, sobre todo cando se observa desde a parte superior.Increasing Cloud Reflectivity,Royal Geographical Society, 2010 As pingas de auga das nubes tenden a dispersar a luz con eficiencia, de modo que a intensidade da radiación solar diminúe nos gases profundamente. Como resultado, a base das nubes pode variar dunha cor gris moi escuro a un moi claro, dependendo do grosor da nube e da cantidade de luz reflectida ou transmitida ao observador. As nubes delgadas poden ter un aspecto branco ou adquirir a cor da súa contorna ou do seu fondo. As nubes altas, troposféricas ou non, poden aparecer maiormente brancas se están compostas por cristais de xeo e/ou pingas de auga moi xeada.
A medida que madura a nube troposférica, as densas pingas de auga pódense combinar para producir pingas maiores, que á súa vez poden formar pingas o suficientemente grandes como para precipitar. Neste proceso acumulativo, o espazo entre as pingas vaise facendo cada vez maior, permitindo que a luz penetre máis a través da nube. Se a nube é o suficientemente grande e as pingas no seu interior están separadas por unha distancia adecuada, é posible que unha porcentaxe da luz que ingresa á nube non se reflicta de volta antes de ser absorbida.
Un exemplo disto pódese notar ao tratar de ver non máis que unha densa néboa cando se suscitan choivas fortes. Este proceso de reflexión/absorción é o que produce que a nube teña unha gama de cores que abarca varias tonalidades de branco a negro.Clouds absorb more solar radiation than preveiously thought (blacker than they appear),Chem. Eng. News, 1995, p33 miniatura|Fotos tomadas nun lapso de 5 minutos nun atardecer no Nordés de México durante a tempada de incendios forestais de México en 2021. esquerda|miniatura|350x350px|Posta de sol reflectindo estratocúmulos en tons alaranxados, rosados e grises. Outras cores poden ocorrer naturalmente nas nubes. Os tons gris-azulado son resultado da dispersión lumínica dentro da nube. No espectro visible, o azul e o verde están no extremo curto das lonxitudes de onda visibles da luz, mentres que o vermello e o amarelo atópanse no extremo longo. Os raios curtos son máis facilmente dispersados polas pingas de auga, e os raios longos máis proclives a ser absorbidos. Unha cor azulada evidencia que tal dispersión está a ser producida por pingas do tamaño adecuado para producir choiva ao interior da nube. Unha tinguidura máis verdosa é producida cando a luz é dispersada por cristais de xeo. Un cumulonimbus de cor verde é sinal de severas tormentas eléctricas, capaces de producir fortes choivas, saraibas, fortes ventos e posibles tornados. A cor amarela débese á presenza de contaminantes no fume, como o dióxido de nitróxeno que é ás veces visíbel nalgunhas áreas urbanas con altos niveis de polución no aire.Cities and Air Pollution, Nature, 1998, chapter 10 As nubes vermellas, laranxas e rosadas ocorren case sempre durante a alba e o atardecer como resultado da dispersión da luz solar na atmosfera, pois en tales momentos do día o ángulo entre o sol e o horizonte é menor ao 10%, co que a luz do sol tórnase moi vermella debido á refracción de todas as cores distintas a aquelas máis avermelladas. As nubes non se pon desa cor, senón que reflicten os raios longos e non dispersados da luz solar, que son predominantes nesas horas. O efecto é moi parecido a se un tivese que enfocar unha luz vermella sobre unha folla branca. En combinación con nubes de tormenta grandes e maduras, tal efecto pode producir nubes de cor sanguínea. As nubes vense máis escuras pertodo infravermello, pois a auga absorbe a radiación solar nesas lonxitudes de onda.
Raios crepusculares miniatura|200x200px|Raios crepusculares. miniatura|200x200px|Tipo de luminiscencia diúrna coñecida como airglow. Os raios crepusculares son raios de sol máis ou menos paralelos movéndose a través da atmosfera terrestre, pero que aparecen diverxer por mor da perspectiva ortogonal. Adoitan ocorrer cando certos obxectos, como cumes de montañas ou nubes parcialmente ensombrecen os raios do sol. Varios compostos do aire esvaecen a luz solar e fan visibles a estes raios, debido á difracción, reflexión, e dispersión. Tamén poden ser observados ocasionalmente debaixo da auga, particularmente en áreas árticas, aparecendo desde as banquisas ou gretas no xeo, e cando os raios de sol golpean as nubes nun ángulo determinado.
Airglow O airglow é a emisión de luz por unha atmosfera planetaria causada pola reestruturación de átomos en forma de moléculas que foran ionizadas pola luz solar durante o día, ou por raios cósmicos. Na Terra, a fonte de emisión está situada preto da mesopausa, e está conformada por varias capas. As principais son a capa do OH, a uns 85 km, e a de O2, situada a uns 95 km de altura, ambas cun grosor aproximado duns 10 km. Con todo, o elemento máis importante pola súa concentración que xera o fenómeno do airglow é o nitróxeno, tanto cando combina co hidróxeno como cando combina co osíxeno; tamén se pode atopar luminiscencia con ións de osíxeno (OI) e de sodio (NaI)
Fotometeoros
Halo miniatura|296x296px|Home cun halo ao redor Un halo é un fenómeno óptico provocado por cristais de xeo que crean arcos e puntos brancos ou irisados no ceo. Moitos prodúcense rodeando o campo visual do sol ou da lúa, aínda que poden aparecer en calquera lugar do ceo. Tamén se poden formar arredor de luces artificiais habendo unha temperatura atmosférica moi baixa, con cristais de xeo denominados prismas de xeo ou "po de diamante" que parecen flotar no ceo próximo ao observador.