Когда свет проходит через атмосферу, он испытывает воздействие различных ее физических свойств. Неодинаковая плотность слоев воздуха, обусловленная различием их температуры и оптической плотности, создает рефракцию, т. е. преломление и искривление световых лучей, что порождает некоторые необычные явления. Свет, поступающий в земную атмосферу, испытывает в ней рассеяние. Рассеивать свет могут даже самые мельчайшие частицы, взвешенные в воздухе. Пылинки и молекулы атмосферных газов, а также другие составные части воздуха, рассеивают свет во всех направлениях.

Сильнее всего рассеиваются в атмосфере синие и голубые лучи, слабее—красные. Голубой цвет неба объясняется преимущественным рассеянием сине-голубых лучей видимого спектра атмосферой. Перед заходом Солнца, когда высота его над горизонтом мала и солнечные лучи проходят сквозь значительную толщу атмосферы, диск Солнца приобретает красноватый оттенок.

Рассеивают свет, в частности, и частицы космической пыли, дым, возникающий при сгорании метеоров, а также частицы вулканического пепла, промышленных дымов и т. д. Наконец, в рассеянии света принимают участие кристаллики солей, споры растений, молекулы водяного пара — около половины всего водяного пара сосредоточено в нижних 1,5 км атмосферы. Большинство других взвешенных примесей содержится в этом же нижнем ее слое. Поэтому и рассеяние света тоже происходит главным образом в этом слое.

Когда свет переходит из среды с одной плотностью в среду с другой плотностью, скорость его распространения изменяется — возникает рефракция световых лучей. Кроме того, из-за уменьшения скорости распространения некоторые световые лучи проходят через атмосферу под разным углом, что вызывает некоторые необычные рефракционные явления.

Когда солнечные лучи проходят через атмосферу под малым углом, их рефракция бывает более сильной, чем при значительной высоте Солнца. Кривизна Земли также заставляет солнечные лучи проходить в атмосфере более длинный путь, чем в случае, когда они падают перпендикулярно к земной поверхности. Из-за рефракции, света, возникающей при заходе Солнца, когда оно находится близко к горизонту, кажется, что высота Солнца больше, чем в действительности. Причем увеличивается и фактическая продолжительность светлого времени суток, так как видимый заход Солнца обычно наблюдается тогда, когда оно уже под горизонтом.