De kleuren van de waargenomen lucht veranderen afhankelijk van het tijdstip van de dag. In wolkenloze omstandigheden, in de middaguren, is een intens blauw zichtbaar, maar bij zonsopgang en zonsondergang verschijnen gele, oranje en rode kleuren. De kleuren die we aan de hemel zien, zijn het resultaat van een optisch fenomeen dat Rayleigh-verstrooiing wordt genoemd.
Licht als een elektromagnetische golf
Het licht dat van de zon komt is niets anders dan een elektromagnetische golf . Elektromagnetische straling is een van de manieren waarop energie zich door de ruimte voortplant. Als elektromagnetische golven worden geordend volgens hun karakteristieke parameters, bv. frequentie, lengte, enz., verkrijgen we een spectrum. Het elektromagnetische spectrum vertegenwoordigt alle soorten straling die in het universum bestaan. Zichtbaar licht (bereik van 380 nm tot 780 nm) is slechts een klein deel van het gehele elektromagnetische spectrum, namelijk het deel dat we kunnen zien. Het gedraagt zich zowel als een golf als als een stroom deeltjes. Dit fenomeen wordt golf-deeltje-dualiteit genoemd. Wit licht ontstaat door het combineren van verschillende eenvoudige kleuren, de zogenaamde primaire kleuren. Ze zijn bijvoorbeeld zichtbaar als een regenboog (wit licht verspreid in waterdruppels). Binnen het elektromagnetische spectrum dat overeenkomt met wit licht, heeft rood licht de langste golflengte en violet licht de kortste.
Waarom zien we bepaalde kleuren?
Aan elk bereik van het witte lichtspectrum zijn specifieke kleuren toegewezen. Dergelijke straling die op een bepaald object valt, wordt erdoor geabsorbeerd of gereflecteerd. Een blad dat bijvoorbeeld licht ontvangt, absorbeert dit, met uitzondering van de groene golflengte. Het niet-geabsorbeerde fragment van het spectrum wordt in alle richtingen verstrooid. Een deel van deze straling zal het oog bereiken en de hersenen zullen "vertellen" dat het blad groen is. Andere kleuren nemen we op een vergelijkbare manier waar, bijvoorbeeld aardbeirood. Lees hier meer.
Rayleigh-verstrooiing
Als we naar de lucht kijken, observeren we eigenlijk het deel van de atmosfeer dat zichtbaar is vanaf het aardoppervlak. De lichtgolf die van de zon komt, verplaatst zich niet in een rechte lijn. Onderweg komt hij een aantal obstakels tegen. Dit zijn veel moleculen (voornamelijk stikstof en zuurstof), stof, waterdruppels en ijskristallen die in de lucht zweven. Ze veroorzaken verstrooiing van zichtbaar licht, de reflectie of absorptie ervan. Om straling de aarde te laten bereiken, moet het door al deze obstakels gaan. Het blijkt dat wanneer het op deeltjes in de atmosfeer valt, het licht wordt verstrooid en van het hele spectrum wordt de blauwe kleur het meest beïnvloed. Dit effect wordt Rayleigh-verstrooiing genoemd en is verantwoordelijk voor de blauwe kleur van de lucht. In 1899 bewees John Rayleigh dat de intensiteit van verstrooid licht omgekeerd evenredig is met de vierde macht van de golflengte. Dit betekent dat blauw licht (dat we in de lucht zien) vier keer meer verstrooid is dan rood licht omdat het een kortere golflengte heeft in het witte lichtspectrum. De golflengten die overeenkomen met de violette kleur zijn echter korter, dus de lucht moet paars zijn. Waarom is het niet zo? Een van de redenen voor dit fenomeen is dat de intensiteit van violette straling die de aarde bereikt veel lager is. Bovendien zijn onze ogen honderden keren minder gevoelig voor violet licht in vergelijking met blauw. 
Andere kleuren van de lucht
De manier waarop we de lucht zien, wordt veroorzaakt door het fenomeen van Rayleigh-verstrooiing, dat stelt dat korte golflengten, verantwoordelijk voor de blauwe kleur, veel sterker worden verstrooid dan lange golflengten. De kleur van de lucht verandert echter gedurende de dag. De blauwe lucht wordt slechts enkele uren in de middag waargenomen. Waarom verandert het bij zonsopgang en zonsondergang? Hoe komt het dat als de zon ondergaat, de kleur van de lucht verandert van blauw, via geel en uiteindelijk naar intens rood? Dit heeft te maken met het pad dat de zonnestralen moeten afleggen om de aarde te bereiken. Hoe lager de Zon in het hemelgewelf schijnt, hoe groter deze afstand. Wit licht valt daarom onder een kleine hoek en kortere golflengten, dwz die toegewezen aan violette en blauwe kleuren, worden te veel verstrooid en bereiken het oog van de waarnemer niet. Alleen de kleuren die kenmerkend zijn voor lange golflengten, namelijk geel en rood, zijn zichtbaar. Ze veroorzaken de karakteristieke kleur van de lucht bij zonsondergang. Als curiositeit is het vermeldenswaard dat de door Rayleigh voorgestelde formule verwijst naar verstrooiing op kleine deeltjes die in de atmosfeer zweven. Het heeft geen betrekking op bijvoorbeeld waterdruppels of ijskristallen. Verstrooiing op grotere soorten wordt verklaard door de Mie-oplossing, beschreven in 1908. Daarin staat dat wit licht dat valt op bijvoorbeeld wolken, die uit water- en ijsdeeltjes bestaan, gelijkmatig wordt verstrooid, ongeacht de golflengte. Als gevolg hiervan lijken de wolken wit. Lees ook:hoe omschrijven we kleuren ?
