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A luz do Sol parece branca, mas traz lá dentro todas as cores do arco-íris. Quando atravessa o ar, o azul anda aos saltos de um lado para o outro muito mais do que as outras cores. Por isso chega aos nossos olhos vindo de todos os cantos do céu, e o céu parece azul.

A luz branca do Sol é uma mistura de cores, e cada cor tem o seu comprimento de onda: curto para o azul, longo para o vermelho. As moléculas do ar desviam muito mais os comprimentos de onda curtos. Chama-se a isto difusão: a luz azul, espalhada em todas as direções, enche o céu.

É a difusão de Rayleigh. As moléculas de azoto e de oxigénio são muito mais pequenas do que o comprimento de onda da luz e difundem-na tanto mais quanto mais curta for a onda: o azul (cerca de 450 nm) muito mais do que o vermelho (cerca de 700 nm). O violeta seria ainda mais difundido, mas o Sol emite menos e os nossos olhos são pouco sensíveis a ele. Ao pôr do sol, a luz atravessa muito mais ar, perde o azul pelo caminho e ficam os vermelhos.

Para difusores muito mais pequenos do que λ, a secção eficaz de Rayleigh é proporcional a λ⁻⁴: entre 450 e 700 nm, o azul é difundido cerca de 5,9 vezes mais do que o vermelho. O espectro do céu é o espectro solar ponderado por λ⁻⁴ e pela espessura ótica ao longo da linha de visão; ao pôr do sol, o percurso ótico mais longo empobrece o azul. A luz difundida é também polarizada, com um máximo a 90° do Sol — é por isso que um filtro polarizador escurece o céu.

No limite dipolar, a secção eficaz por molécula é σ(λ) = (8π/3)·k⁴·|α|², com k = 2π/λ, corrigida pela dispersão do índice de refração e pelo fator de King (≈1,05 para o ar), que tem em conta a anisotropia molecular. O espectro difundido cresce para os comprimentos de onda curtos, mas a tonalidade percebida resulta da sua integração com as funções de correspondência de cor da CIE: a baixa sensibilidade do olho abaixo de 450 nm desloca-a do violeta para o azul. Os modelos de transferência radiativa acrescentam a difusão múltipla e a extinção de Mie pelos aerossóis, que dessatura o céu em direção ao horizonte.