Durante el día el cielo es azul, mientras que de noche es negro. Esta observación trivial nos indica que el cielo no brilla por si solo y que de alguna manera su color está relacionado con la presencia del Sol. En un día sin nubes el cielo envía a nuestros ojos una cantidad de luz de aproximadamente 10% de la que nos llega directamente del Sol. Cómo brilla el cielo de día? Dado que el cielo de noche es oscuro, la luz que vemos llegar de todos lados del cielo de día debe venir originalmente del Sol.
El Sol brilla con luz de todos los colores del arco iris al mismo tiempo: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul y violeta. Si nosotros mezclamos luz de estos colores obtenemos luz blanca. Por otro lado es posible separar los distintos colores de la luz blanca al hacerla pasar por un prisma de cristal. De hecho así es como se produce un arcoiris: la luz del Sol pasa por pequeñas gotas de agua que separan la luz de distintos colores de la misma manera que un prisma. Este mismo fenómeno ocurre cuando hacemos incidir luz sobre la cara de un disco compacto, el cual refleja los colores en direcciones ligeramente distintas.
El brillo del cielo viene del hecho de que los átomos y moléculas de la atmósfera "dispersan" la luz, es decir la separan en sus componentes y la desvian de su trayectoria original. Así mientras que algunas moléculas del aire desvian algún rayo de luz que de otra forma hubiera llegado directamente a nuestros, otras moléculas dirigen hacia nuestros ojos luz solar que de otra forma no hubiera llegado a nuestros ojos. Si nosotros salieramos al espacio veríamos un cielo negro y el Sol mas brillante del que vemos aquí en la Tierra.
Esto nos dice no solo por qué el cielo es mas brillante de día que de noche, sino también por qué en las noches de Luna llena podemos apreciar el cielo mas brillante que en las noches sin Luna. Las moléculas que forman la atmósfera también dispersan la luz de la Luna, llegándonos una fracción de ésta de todas partes del cielo. De hecho lo mismo sucede de noche: la atmósfera dispersa la luz de las estrellas y el cielo nocturno no es estrictamente negro. Sin embargo su brillo es tan débil que nuestros ojos no pueden percibirlo. Los telescopios en cambio si pueden medir el brillo del cielo en ausencia de Sol y Luna. Es por esto que el telescopio espacial Hubble puede ver objetos mas débiles que telescopios en la Tierra: como el cielo que ve el Hubble es muchisimo mas oscuro, es mas fácil ver estrellas mas débiles.
Los astrónomos clasifican al Sol como una estrella amarilla. Es decir, si bien el Sol brilla con luz de todos colores, la mayor parte de la luz es en realidad amarilla. Estrellas mas frías que el Sol brillan preferencialmente con luz roja, mientras que estrellas mas calientes, como Sirio, brillan preferentemente con luz azul. Entonces, si el Sol brilla con luz amarilla, y el cielo dispersa la luz del Sol, por qué es el cielo AZUL? Fué el físico inglés Lord Rayleigh quién a finales del siglo pasado descubrió que los átomos y las moléculas dispersan mucho mas la luz violeta o azul que la luz amarilla o roja. Así, el Sol se ve mas (ligeramente) azul en el espacio que en la Tierra, ya que es este color el de la luz que nuestra atmósfera dispersa. Es también por este motivo que el Sol al meterse en el horizonte se ve rojo: la luz que viene del horizonte pasa por una capa de aire mas grande que cuando viene del cenit, y por ello es aun mayor la cantidad de luz violeta y azul que es dispersada. A tal punto que cuando el Sol está cerca del horizonte solo la luz roja no ha sido dispersada.
Nuestra atmósfera ademas de proveernos de aire para respirar, nos protege de los rayos ultravioleta que dañarían nuestros ojos y piel, así como de meteoritos y partículas que vienen incluso de mas allá del sistema solar. Por si esto fuera poco, al robarle luz dañina al Sol nos regala el azul del cielo y el rojo del atardecer.