Khí quyển Trái Đất tán xạ các ánh sáng bước sóng ngắn hiệu quả hơn so với các bước sóng dài. Bởi bước sóng của ánh sáng xanh lam ngắn hơn, nó bị tán xạ mạnh hơn so với các bước sóng ánh sáng đỏ hay xanh lục dài hơn. Vì vậy, kết quả là khi nhìn bầu trời ở phía không có ánh sáng Mặt Trời trực tiếp, mắt người nhận thấy bầu trời có màu xanh lam.[2] Màu sắc nhận thấy được của bầu trời tương tự với hỗn hợp của một màu xanh lam đơn sắc (ở bước sóng 474–476 nm) trộn với ánh sáng trắng, tức là ánh sáng xanh lam không bão hòa.[3] Sự giải thích màu xanh của bầu trời ban ngày của Rayleigh vào năm 1871 là một ví dụ nổi tiếng về áp dụng phân tích thứ nguyên để giải các vấn đề trong vật lý.[4]

Tán xạ và hấp thụ là những nguyên nhân chủ yếu của suy giảm bức xạ Mặt Trời bởi khí quyển. Sự tán xạ thay đổi phụ thuộc theo một hàm của tỉ số giữa đường kính của hạt tán xạ (các hạt mịn trong khí quyển) và bước sóng của bức xạ tới. Khi tỉ số này nhỏ hơn 1/10, tán xạ Rayleigh xảy ra. (Trong trường hợp này, hệ số tán xạ thay đổi tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng. Với các tỉ số lớn hơn, sự tán xạ phụ thuộc theo một cách phức tạp hơn, được mô tả đối với các hạt hình cầu bởi thuyết Mie.) Các định luật của quang hình học bắt đầu được áp dụng với các tỉ số cao hơn.

Hàng ngày tại những nơi trên địa cầu chứng kiến Mặt Trời mọc hoặc lặn, phần lớn các tia nhìn thấy được từ Mặt Trời tới gần tiếp tuyến với bề mặt Trái Đất. Vì vậy đường truyền của ánh sáng Mặt Trời qua khí quyển bị kéo dài đi, nói cách khác là ánh sáng Mặt Trời phải xuyên qua một lớp khí quyển dày hơn để đến nơi quan sát. Điều này làm cho hầu hết các bước sóng ngắn màu xanh lam hoặc xanh lục bị tán xạ khỏi đường truyền trực tiếp. Hiện tượng này làm cho các tia trực tiếp từ Mặt Trời và các đám mây chúng chiếu sáng mang chủ yếu một màu sắc từ cam tới đỏ, khi ta xem Mặt Trời mọc hay lặn.

Trong trường hợp Mặt Trời ở gần thiên đỉnh (lúc giữa trưa), bầu trời có màu xanh do sự tán xạ Rayleigh, điều này liên quan đến tán xạ bởi các phân tử khí lưỡng nguyên tử N
2 và O
2. Vào lúc Mặt Trời lặn và đặc biệt là lúc chạng vạng, sự hấp thụ bởi lớp ozone (O
3) đóng góp quan trọng vào sự duy trì màu xanh lam của bầu trời chiều tối.

• Tán xạ Rayleigh làm cho bầu trời ban ngày có màu xanh
• Lúc Mặt Trời mọc, bầu trời mang một sắc đỏ rực rỡ phản chiếu từ các đám mây. Ảnh chụp tại hồ Michigan.
• Bầu trời phía Tây lúc chạng vạng sau khi Mặt Trời lặn, vào giờ xanh. Màu xanh thẫm của phần bầu trời phía trên là do sự hấp thụ Chappuis.
• Các màu sắc chân trời lúc chạng vạng: vành đai sao Kim (màu hồng) và bóng của Trái Đất (màu xanh tối).