Đo lường hiệu ứng ánh sáng bầu trời trên quy mô toàn cầu là một quy trình phức tạp. Bầu khí quyển tự nhiên không hoàn toàn tối, ngay cả khi không có nguồn ánh sáng trên mặt đất và sự chiếu sáng từ Mặt trăng. Điều này được gây ra bởi hai nguồn chính: luồng khí và ánh sáng tán xạ.

Ở độ cao lớn, chủ yếu ở phía trên tầng trung lưu, có đủ bức xạ UV từ mặt trời và nó có bước sóng rất ngắn để gây ion hóa. Khi các ion va chạm với các hạt trung hòa về điện, chúng sẽ tái hợp và tạo ra các quang tử trong quá trình này, gây ra sự phát sáng trong không khí. Mức độ ion hóa đủ lớn để cho phép phát bức xạ liên tục ngay cả trong đêm, khi tầng trên của khí quyển nằm trong bóng của Trái đất. Ở tầng thấp hơn trong khí quyển, tất cả các quang tử mặt trời có năng lượng cao hơn sự ion hoá của N2 và O2 đã bị hấp thụ bởi các lớp cao hơn và do đó không xảy ra quá trình ion hóa đáng kể.

Ngoài việc phát ra ánh sáng, bầu trời còn tán xạ ánh sáng tới các ngôi sao ở xa và Dải Ngân Hà cũng như ánh sáng hoàng đạo, ánh sáng mặt trời. Ánh sáng bị phản xạ và tán xạ ngược từ các hạt bụi liên hành tinh.

Lượng ánh sáng phác ra ủa luồng khí và ánh sáng hoàng đạo khá thay đổi (tùy thuộc vào hoạt động của vết đen Mặt trời và chu kỳ Mặt trời) nhưng với điều kiện tối ưu, bầu trời tối nhất có thể có độ sáng khoảng 22 độ richter /cung vuông giây. Nếu có trăng tròn, độ sáng bầu trời tăng lên khoảng 18 độ richter / sq. Vòng cung thứ hai thì tùy thuộc vào độ trong suốt của khí quyển địa phương, sáng hơn 40 lần so với bầu trời tối nhất. Ở những khu vực đông dân cư, độ sáng bầu trời là 17 độ richter / sq. Vòng cung thứ hai không phải là hiếm nhưng chúng có thể sáng hơn 100 lần so với tự nhiên.

Để đo chính xác mức độ sáng của bầu trời, hình ảnh vệ tinh về trái đất vào ban đêm được sử dụng làm đầu vào thô cho số lượng và cường độ của các nguồn sáng. Chúng được đưa vào một mô hình vật lý về sự tán xạ do các phân tử không khí và sol khí để tính toán độ sáng tích lũy của bầu trời. Các bản đồ hiển thị độ sáng bầu trời nâng cao đã được chuẩn bị cho toàn thế giới.[28]

Việc kiểm tra khu vực xung quanh Madrid cho thấy tác động của ô nhiễm ánh sáng do một tụ điểm lớn gây ra có thể được cảm nhận cách trung tâm tới 100 km (62mi). Ảnh hưởng lên toàn cầu của ô nhiễm ánh sáng cũng được thể hiện rõ ràng. Toàn bộ khu vực bao gồm miền Nam nước Anh, Hà Lan, Bỉ, Tây Đức và miền bắc nước Pháp có độ sáng bầu trời ít nhất gấp hai đến bốn lần bình thường (xem ở trên bên phải). Những nơi duy nhất ở lục địa Châu Âu mà bầu trời có thể đạt được bóng tối tự nhiên là ở phía bắc Scandinavia và ở các hòn đảo xa lục địa.