O céu envia-nos cerca de 10% da luz do sol durante o dia. O seu brilho deve-se à difusão da luz do sol pelas moléculas na atmosfera. Quando olhamos para o céu, estamos a ver apenas os raios de Sol que foram desviados pelas moléculas da atmosfera de tal modo que ficam exactamente direccionados para os nossos olhos.
Algumas partículas e moléculas da atmosfera (algumas resultando de poluição humana) têm a capacidade de difundir a radiação solar em todas as direcções. E certas partículas são mais efectivas a difundir luz com um determinado comprimento de onda de luz (é a difusão selectiva -difusão de Rayleigh). É o caso das moléculas do ar, como o oxigénio e o azoto, que são de pequena dimensão e por isso difundem com mais eficiência luz com comprimentos de onda curtos (azul e violeta).
A luz branca do Sol é uma mistura de todas as cores do arco-íris: o espectro visível vai desde o vermelho, com um comprimento de onda de cerca de 720 nm, ao violeta, com um comprimento de onda de cerca de 380 nm. O que acontece é que os átomos e moléculas difundem com maior eficiência a luz com comprimentos de onda menores. Quase todos os raios vermelhos vindos do Sol atravessam sem dificuldade a atmosfera. São os azuis e violeta que são desviados. Como resultado desse fenómeno físico, o Sol tem uma cor amarela mais avermelhada do que a que tem quando observado fora da atmosfera.
Houve dúvida durante muitos anos se eram poeiras ou moléculas as responsáveis pela cor do céu. Mas desde que a fórmula detalhada da difusão da luz por moléculas, calculada por Einstein em 1911, se mostrou de acordo com a experimentação, esse facto passou a ser aceite por toda a comunidade científica.
Quando um fotão de comprimento mais curto encontra uma molécula da atmosfera, ressalta numa outra direcção. Os fotões vermelhos, laranjas, amarelos e verdes tendem a conseguir continuar em frente. E cada fotão que ressalta volta a encontrar outras moléculas e pode ressaltar de novo numa outra direcção. E acabam por chegar ao solo da Terra vindos «de todo o lado», de direcções aleatórias. Por isso, para qualquer lado que olhemos, vemos fotões azuis.
O céu não é amarelado como o Sol porque a difusão funciona como uma peneira que só «reflecte» raios azulados. É também devido ao mesmo fenómeno que o céu fica acinzentado («lácteo») quando há luar e faz com que não se vejam tão bem as estrelas. O mesmo acontece quando se está perto de uma cidade bem iluminada e o céu fica mais esbranquiçado por causa da luz da cidade difundida pela atmosfera.
As nuvens e a bruma são brancas porque consistem de gotículas de nuvens com diâmetros da ordem dos 20 mícron (maiores do que o comprimento de onda da luz visível) e por isso são suficientemente grandes para difundir todos os comprimentos de onda visíveis aproximadamente de um modo igual (difusão de Mie). Quando as nuvens se tornam muito profundas, menos e menos da radiação solar que entra nela consegue chegar ao fundo da nuvem, o que lhes dá uma aparência mais escura.
O céu, de facto, deveria ser mais violeta, embora, por causa da absorção da atmosfera, haja menos violeta na luz do Sol. O que se passa é que os nossos olhos não têm nenhuns receptores especialmente sensíveis a essa cor. O nosso sistema visual constrói as cores que vemos com base em 3 tipos de receptores de cor - os cones - que são uns mais sensíveis aos vermelhos (e menos aos laranjas e amarelos), outros aos azuis e outros aos verdes (e menos aos verde-azulados e amarelos). A luz indigo e violeta estimula ligeiramente os cones mais sensíveis aos azuis e também, embora menos, os cones mais sensíveis aos vermelhos. E é por isso que a luz indigo e violeta acaba por ser apercebida pelo nosso sistema visual como azul com um ligeiro tom de vermelho. O efeito total é que a luz do céu estimula mais fortemente os cones azuis, mas também estimula, mais moderadamente e de um modo quase igual, os cones vermelhos (através da luz indigo e violeta) e os verdes (através da luz verde-azulada). E é esta combinação que dá ao céu a cor azul pálida que ele tem. Se não houvesse luz indigo e violeta no espectro do céu, ele pareceria azul ligeiramente esverdeado.
Quando visto de uma praia, o mar é azul porque reflecte o céu, claro. Mas a luz azul que há abaixo da superfície do mar, a partir de cerca de 20 metros de profundidade, deve-se à absorção da luz com maiores comprimentos de onda pela água.
Quando o ar está limpo e o Sol ou a Lua (ou uma estrela) estão a nascer ou a pôr-se perto do horizonte, têm uma cor amarelada porque os raios de luz têm que percorrer um trajecto muito maior na atmosfera antes de chegarem aos nossos olhos e muito mais fotões azuis e violeta acabam por ser difundidos. Se nas camadas mais baixas da atmosfera existirem pequenas partículas de sal (sobre o mar) ou de poeira (natural ou resultante da poluição) que também difundem a luz - e com maior eficiência! - até os fotões verdes e amarelos serão difundidos e os astros terão uma cor mais alaranjada ou avermelhada.
E é também por isso que ao pôr do sol o céu não é azulado no horizonte, perto do Sol: há mais fotões amarelos e mesmo laranjas que vêm dessa direcção depois de serem difundidos a partir da luz do Sol.
Quando à noite vemos um foco de luz cilíndrico projectado no céu, o que vemos não são os raios de luz projectados na direcção do foco. O que vemos são os raios de luz que estão a ser difundidos (ou desviados) pelas partículas de poeira na atmosfera de tal modo que ficam exactamente direccionados na direcção dos nossos olhos. A luz é difundida em todas as direcções, claro, mas nós só vemos os que estão a vir na nossa direcção.
Se iluminarmos com um foco de luz branca um tanque com água com sabão (ou com um bocado de leite à mistura) e olharmos de lado vemos um cone azulado formado pela luz que é difundida pelo líquido. Mas a luz vista directamente do fundo do tanque, depois de o ter atravessado, será avermelhada. É aliás este mesmo efeito que é responsável pela existência de olhos azuis. Quando a luz passa por um fluido com partículas em suspensão suficientemente pequenas, verifica-se que a luz azul, que tem um comprimento de onda menor, é mais difundida do que a vermelha (a difusão é inversamente proporcional à 4ª potência do comprimento de onda: a luz azul sofre uma difusão 9,38 ([700/400]4) vezes maior do que a vermelha.
De noite, o céu é negro fundamentalmente porque não existe difusão de luz solar. No entanto, se o universo é infinito em tamanho e as estrelas e galáxias estão distribuídas por este universo infinito, então poderíamos esperar ver uma estrela em cada direcção em que observamos o céu. O que se passa é que não podemos ver a luz das estrelas e galáxias a todas as distâncias ao mesmo tempo! A luz viaja a uma velocidade de cerca de 300 000 km/s. E, como só podemos ver uma coisa depois de a luz que ela emite ter tempo para chegar aos nossos olhos, e como se pensa que o universo terá «só» uns 10 ou 15 milhares de milhões anos de idade, só podemos ver galáxias que estejam no máximo a uma distância de uns 10 ou 15 milhares de milhões de anos-luz de distância. Mesmo que haja galáxias mais distantes, não as poderemos ver porque a sua luz não teve ainda tempo de chegar até nós. Por outro lado, as estrelas e as galáxias não são infinitamente velhas, ou seja, elas eventualmente morrem e deixam de emitir luz. E vemos este efeito mais cedo para as que estão mais perto de nós porque a sua luz nos chega mais cedo. Por isso, não podemos ver a luz de estrelas e galáxias a todas as distâncias ao mesmo tempo; a luz das realmente muito distantes ainda não chegou até nós e, no caso das mais distantes cuja luz já chegou até nós, tanto tempo se passou já que muitos objectos perto delas já se extinguiram e estão negros.