大气光学是地球大气层独特的光学性质所造成大范围且壮观的光学现象。美丽的蓝色天空是瑞利散射的直接结果，它重新定向了高频（蓝色光）的阳光，使它们重新回到观测者的视野。由于蓝色光比红色光容易散射，当日出和日落时的阳光必须穿透浓厚的大气层时，太阳看起来就呈现偏红的色调。在天空中额外的颗粒会以不同的角度色散不同的颜色的光，在黎明和黄昏创造出多采多姿的发光天空。冰晶和其它颗粒将在大气层中的光线散射，造成晕、晚霞余晖、华 (光象)、云隙光和幻日。这些种现象的变化是由于粒子大小和不同的几何形状。
海市蜃楼是光线受到大气层的温度变化而产生偏折弯曲的光学现象，会使远方的影像流离失所或是严重的扭曲。与此相关的其它光学现象包括新地岛效应，会使视太阳比预测的提早升起或是延后落下，并且造成形状的扭曲。一种称为复杂蜃景的壮观形式是由温度反演造成的，会将地平线上，甚至地平线下的物件，像是岛屿、崖、船舶或冰山拉长且升高，就像"童话城堡"。
彩虹是光线在雨滴内部反射和色散光的折色组合造成的结果。因为彩虹总是出现在天空中背向太阳的那一端，而且因为两者相距遥远的距离，太阳越接近地平面，彩虹越是突出和壮观。
海什木在光学手册（1011-1022 A.D.）认为视觉是发生在大脑中，视觉和知觉是主观的，和个人的经验会影响到他们看到的和怎样看。托勒密以折射的理论来说明人们为何会感觉在地平线的太阳和月球比较大，但受到其他人的质疑。海什木重新定义这个问题是感知上的问题，而不是真实的扩大。他说判断物体的距离取决于在该物体和观测者之间有不间断的一系列物体。然而，在月球和观测者之间没有可供参考或比较的物体。因为物体的大小取决于其观测到的距离，但是在这种情况下，距离不能准确判断，因此出现在地平线上的月球会显得较大。培根、John Pecham和Witelo等人基于海什木的解释，做了进一步的研究，在17世纪后月球错觉逐渐被认为是一种心理现象，而排除了托勒密的理论。100多年来，月亮错觉的视觉科学研究一直是心理学，特别是人类感知，的领域。在审视了许多不同的解释之后，罗斯和卜格在它们于2002年出版的《神秘的月球错觉》（）这本书中就认为没有单一的理论取得了胜利。
人眼看见蓝色的天空，是阳光被散射的结果。阳光明媚的日子，瑞利散射让天空呈现蓝色的梯度：天顶较暗而水平方向较明亮。来自头顶的光线遭遇到的大气质量仅有水平方向的1/38。所以，来自天顶的光线较少被粒子散射，因此光依然是深蓝色的。来自水平方向的天蓝色光，因为从遥远的地方传送过来，蓝光也被散射了。这是蓝色调的光在视线方向上散射的补偿，是来自远方光源红移的结果。换言之，红色的光也被散射；如果它不是与观测者有很大的距离，它被看见的机会将比蓝光高得多。在距离接近无限远的散射光，将会呈现白色。远方的云或白雪皑皑的山顶似乎是黄色，也是因为着个缘故；天气晴朗的时候这种效应并不明显，但是从覆盖着的云的边缘散射的阳光，蓝色的色调会减少。
在空气中，散射取决于分子颗粒的大小，朝向前方和后方的多于侧向的。个别暴露在白光下的水滴将创造出一组彩虹。如果云有足够的厚度，从多个水滴散射的光将洗掉各种的颜色，创造出洗净的白色.。来自撒哈拉的尘埃进入副热带高压脊，在夏季移动进入美国的东南部，使天空的外观从蓝色转变为白色，并导致红色的落日增加。它的存在添加了空气中的颗粒数量，因而对夏天的空气质量产生负面的影响。
在晚上的天空会呈现出红色、橙色、粉红色和黄色（特别是在接近日出和日落时）和黑色等多种的色彩。散色效应也会将来自天空的光偏极化，最明显的是在距离太阳90∘角。
国际照明委员会（CIE，International Commission on Illumination）推荐天空的亮度分布模型，作为采光计划的设计。最近的发展已经类比到所有的天空亮度模型，天气从晴朗的天空到阴天 。
当从地球上看云的颜色，可以告诉我们云里面有些什么。对流层云深厚的显现出对可见光的高反射率（70%至95%）。微小的水颗粒是密集的阻碍物，阳光在被反射出来之前无法渗入太多，使得云呈现白色的特征，特别是在从顶部观看时。云滴倾向有效的散射光线，所以太阳辐射的强度随着气体的深度减弱。其结果是，根据云的厚度和多少光被反射或背向观测者的方向传播，云底可以从非常明亮到非常黑暗的灰色。薄薄的云层看起来是白色，似乎已经得到和呈现它们的环境或背景。高高的对流层和非对流层的云，如果完全由冰晶或过冷的水滴组成，大多是白色的。
随着对流层云的成熟，密集的水滴结合起来产生更大的水滴，形成的小滴结合到足够大时，就会下降成为雨。在这个累积的过程中，液滴与液滴之间空间变得越来越大，阳光也就更能深入的渗入云中。如果云累积的够大，而且液滴的间隔距离够远，则阳光在被吸收前只有很少的百分比会被反射出来。一个简单的例子就是在大雨中能看得比在雾中更远。这种反射/吸收的过程是导致云的颜色范围能从白色到黑色的原因。
其它自然在云中发生的颜色，蓝灰色是光在云内散射的结果。在可见光谱中，蓝色和绿色是在可见光波长的末端，而黄色和红色是在长波端。短波的光更容易被水滴散射，长波的光则较容易被吸收。蓝蓝的颜色，是这种散射由云内雨滴大小的水滴形成的证据。如果阳光是由冰散射，则会使生成的云带有绿色的色调。散发出绿色的积雨云是剧烈雷雨的迹象，可以是大雨、冰雹、强风，也可能是龙卷风。淡黄色的云可能发生在春末到秋初森林火灾多发的季节，黄色的颜色是因为烟气中存在的污染物。在城市地区，当出现二氧化氮的高污染时，也会出现淡黄色的云。
出现红色、橙色和粉红色的云，几乎完全是日出或日落时的阳光通过大气层时散射的结果。当阳光和地平线的角度小于10%，就在日出之后或是日落之前，因为阳光中可见的色调，除了红色之外都会被折射掉。云不会呈现其它的那些颜色，它们反射阳光中的长波和未散射的颜色，是在那些时间主要的颜色。在与大型、成熟的暴风雨结合，就可以产生血红色的云；效果很像人们将红色的聚光灯照在白色的床单上。在近红外线看，云会更为黑暗，因为水会吸收这些波长的太阳辐射。
晕（ἅλως；也称为光轮、冰弧或后光）是天空中的冰晶创造出来的白色或彩色的弧线和光点，是一种光学现象。多数都出现在太阳和月球的附近，也有出现在其他地方，包括在天空中相对的方向。在很冷的天气哩，当称为钻石尘埃的冰晶漂浮在附近的空气中时，它们也可以在人造灯光的周围形成。
有许多种不同的类型的冰晕。它们都是由对流层上层，高度5千米（3.1英里）至10千米（6.2英里）高的卷云冰晶产生的。特定形状的冰晶和方向性对应于观察到不同类型的晕。光被冰晶反射和折射，可能会因为色散分裂出不同的色彩。晶体的行为像棱镜和镜子一样，在它们的表面反射和折射光线到特定的方向。由冰晶创造晕首选的角距离是22度和46度。像晕这种大气现象曾被作为天气预报或天气谚语中有暖锋或雨接近的经验证据。
幻日通常是由高空冷卷云中板状六角冰晶，或是很冷的天气时，悬浮在低空，称为钻石尘埃的冰晶产生的。在麦克默多站的科学家经常看见幻日。这些晶体像棱镜一样，弯曲通过光线的最小偏向角是22度。如果这些晶体垂直对齐了在大气中低垂接近水平的太阳，就可以拭目以待折射导致的幻日。幻日可以像镜像一样，在实际太阳的两侧出现，或是像明亮的光斑，沿着太阳位置的高度形成部分的晕。
当太阳的位置越高，穿过冰晶的光线就越来越偏离水平面。它的偏离角就会增加，使幻日偏离太阳。然而，它们总是和太阳呆在相同的高度，幻日的红色是最靠近太阳的一端，蓝色或紫色是向外延伸出去。但是，颜色会重叠，所以通常是柔和的，很少会是纯或饱和。幻日的颜色最后会合并成白色的幻日环（如果后者可以看见）。
理论上预测，在其它的行星和卫星上也可以看见幻日的形成。火星的幻日可能由水冰和CO2冰造成。在巨大的气体行星 －木星、土星、天王星和海王星－ 其它晶体形成的云，氨、甲烷，以及其它的物质，也能产生晕和4个或更多的幻日。
光环是常见涉及水滴的光学现象。光环这种光学现象，看上去好像宗教上标志着圣人的晕，是包围着观测测者头部的后向散射（综合光的衍射、反射和折射）的光，其来源是云中大小均匀的水滴。光环像是多种色彩同心圆的戒指，红色在最外层，而蓝色和紫色在最内圈。
光环的角距离与彩虹相似，范围依据水滴的大小从5°至20°，只有观测者在折射水滴的云和太阳之间时才能被看见。因此，人们经常在搭乘飞机时看见光环围绕在飞机投射在云上的影子周围（称为飞机的光环）。在山上和高处的建筑物也可以看见光环。当有云或雾在观测者的下方，或地面有雾的天气时，也会有光环。光环与幻日的光学现象有关。
彩虹是气象和光学的现象，它是阳光照射到大气层中的水蒸气产生光谱的现象。它形成多种色彩的弧。彩虹始终出现在背向太阳方向的空上，但地面上的观测者看见太阳在地平线上的高度不能超过42度。太阳在更高的高度角时，观测者需要在飞机上或山顶的附近，因为这时的彩虹会出现在地平线下。水滴越大，形成的彩虹越明亮。在夏天，彩虹最常见于午后的雷雨之后。
在阵列中的单一水滴，将阳光在水滴内反射一次后，在背对阳光的方向上产生的光谱角度范围在40°到42°，彩虹的红色在外侧。霓或副虹是阳光在水滴内反射两次产生的，角距离的范围在50.5°至54°，紫色在外侧。彩虹，也称为主虹，通常位置最低也最明亮，显示的弧是红色在外侧（上方），而紫色在内侧。 这道彩虹是阳光在水滴内反射一次引起的。副虹，是可能看到的第二个弧，它会在主虹的上方，而它的颜色排列和主虹相反（红色在内侧，紫色在外侧）。这第二道弧是阳光在水滴内反射两次后引起的。在主虹与副虹之间的区域是黑暗的，原因是主虹与副虹都有反射的阳光，而在两道虹之间这个区域没有。
彩虹显现的是连续光谱的颜色，不同的频带（包括频代的数量）会因为人类原始的彩色视觉而有所不同，以黑白相片拍摄的彩虹不会呈现出频带（只有平稳渐进的强度变化，从弧的一端最强逐渐减弱至弧的另一端）。一个正常人的眼睛看见的颜色，是艾萨克·牛顿描述的七彩：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。然而，色盲的人看见的颜色会比较少。
彩虹可以经由空中许多种不同的水汽形成，包括雨水，湿气、雾、喷雾、空中的露水。
蜃景是自然发生的光学现象，光线的偏折使遥远物体或天空的影像形成流离失所的景象。这个词的英文是从法语的转过来的，而法语又是从拉丁文的转过来，原意就是看见奇异景象。这个字和镜子（mirror）与欣赏（to admire）同字根，同时也与阿拉伯文的同字根。
大气折射使天体在天空中的高度看起来比实际的更高。由于这个原因，水手不会观测高度低于20°度或更接近水平面的恒星。天文学家也会尝试当天体抵达天空中的最高点时才进行观测。
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