大气并不发光，但它能对通过大气层的太阳和月亮光线选择性吸收、散射、反射、折射、衍射等，改变原来入射光线的传播路径和颜色，变幻出绚丽迷人的光学景观。蓝天，白云，红霞，宝光，蜃景，七彩虹，日月晕……无不是大气的杰作。
自古以来，大气光学现象就引起人们的注意。中国远在3000多年以前的殷墟甲骨文中，就有关于虹的记载，《诗经》中“朝脐于西，崇朝其雨”，就是指早晨太阳东升时，如果西方出现了虹，到中午就要下雨了。关于晕、宝光环、海市蜃楼等大气光象，中国古代都有观测和解释。
19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色，建立了瑞利散射理论。20世纪初，德国科学家米从电磁理论出发，进一步解决了均匀球形粒子的散射问题，建立了米散射理论。这两个理论能够解释许多大气光象。20世纪60年代激光的出现，使光学大气遥感得到迅速的发展。以激光大气遥感为重点的光学大气遥感，已发展成为大气遥感的重要分支。卫星遥感对大气透明度的要求，吸收光谱法和激光光谱学的发展，也有力地促进了高分辨率大气吸收光谱的研究。
7.1装点大自然的蓝天、白云、红霞
蓝天、白云、彩霞，构成了一幅美丽的自然图画。这些色泽既离不开太阳的恩赐，也离不开大气鬼斧神工的雕琢。
7.1.1蔚蓝的天
如果太阳光线遇到直径比自己波长还小的空气分子时，太阳光将被空气分子向四面八方散射。由于分子对光的散射作用首先被英国物理学家瑞利发现，故分子散射又称瑞利散射。分子散射有选择性，波长越短的光越容易被分子散射，波长越长的光越不容易被分子散射。因此，在太阳的可见光谱中，波长最短的青蓝紫光是空气分子散射的首选。
一场雨后，空气会格外清新，天空会格外湛蓝。空气清新，是因为雨水冲刷了空气中的灰尘杂质。天空湛蓝，是因为雨水排除了空气中大量杂质对太阳光的干扰，几乎靠空气分子一己之力，为天空抹上了蓝色。物体的颜色是由它反射光的颜色决定的。空气分子优先选择青蓝紫光散射的特性，使它们成了天空中的“蓝色光源”。正是这数不清的“蓝色光源”，把天空装点成蓝色。
7.1.2橙红的霞
朝霞和晚霞被染成橙红色，也不完全归功于太阳，大气分子同样功不可没。我们看到的霞光，是云反射的太阳光。太阳光是白光，云反射的太阳光自然也是白光。为什么挂在东天的朝霞和挂在西天的晚霞反射的太阳光，从天边到观测者眼中，已面目全非了呢？首先，它们所经之路比垂直光的路途遥远，垂直光可由太阳直达地面，霞光从太阳至云层被反射后，还要沿地球表面长途跋涉，才能进入观测者眼中；其次，空气质量集中在下层，越靠近地面，空气密度越大，霞光在地面上穿越的正是空气密度最大层。在遥远的路途中，经众多空气分子前赴后继地围截和散射，等观测者看到远道而来的霞光时，已不再是白光，而是几乎滤去青蓝紫等短波光的红橙黄光，所以我们眼中的霞光为橙红色。
正是因为红光在大气中穿透力强、传播远，所以交通危险警示灯、汽车危险警示灯、施工危险警示灯以及铁路信号灯均采用红色。
遇到沙尘天气时，天空就不再那么湛蓝，而是一片灰黄。因为被风卷入空中的沙尘粒子尺度远大于太阳可见光波长，它不再选择散射太阳光，而是不分青红皂白地向四面八方反射所有的入射光。这种粗粒子散射，又称漫反射或漫射。由于沙尘集中在对流层下层（乱流混合层），到达乱流混合层的太阳光中的青蓝紫光经高层大气分子散射已被削弱，被沙尘漫射的太阳光的主成分由可见光中的黄红等长波光组成，因此天空呈灰黄色。
7.1.3洁白的云
人们常说，一朵朵白云。只有挂在高空的云呈朵状且云层较薄时，才呈白色。云呈朵状且云层较薄时，不仅云边缘处粒子可漫射太阳光，太阳光穿过云层时云中粒子也可漫射太阳光。由于漫射对光的波长无选择性，入射为白光时漫射的亦为白光，因此挂在高空的云朵呈白色。
洁白的云
如果云层布满天空且很厚时，云顶几乎把入射的太阳光全部反射回太空，云底因不见阳光而呈乌黑色，此时的云已不再是白云，而是乌云。
7.2半红半紫挂天腰的虹
虹，是一条外红内紫的七彩光环，是大自然的奇观，曾引得无数文人竞折腰：“碧水贯街千万居，彩虹跨河十七桥”“谁把青红绒两条，半红半紫挂天腰”“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩虹当空舞”“断涧迎风撒碎玉，雾雨当空飞彩虹”“千丈虹桥望入微，天光云影共楼飞”……诗美，是因为虹美；美丽的虹，孕育了美丽的诗。
文学家赞美其形美色艳，物理学家则探究其来龙去脉。
1637年，法国科学家笛卡儿就发现，虹是空气中的水滴对太阳光折射和反射的结果，但他未能解释虹的颜色和按一定顺序排列的原因。
1667年，英国物理学家牛顿发现太阳光通过三棱镜时会被分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色顺序排列的彩色光带，圆满解释了虹的成因。
虹在背对太阳而立时才能观察到。在夏日的傍晚，西方放晴而东方天空有云雨时，最易看到虹。当太阳光平行地照射到与太阳相对的另一半天空中的水滴并进入水滴时，要发生折射。由于太阳可见光中所包含的七色光折射率不同（由小到大依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫），因此进入水滴中的可见光经折射后，被分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光。被分色的光大部分穿过水滴后壁继续前行，只有少部分被水滴后壁反射后从前壁出来并再次发生折射。就是这部分从水滴前壁进（的白光）又从前壁出的（七色）光，形成了色泽艳丽的七彩虹。
经历水滴折射、内反射后的出射光中，多数比较暗淡，不易觉察到，只有偏离原阳光入射方向的角即偏向角（阳光入射光线顺时针方向与出射光线的夹角）最小时，出射光才最集中、最明亮。射入背对太阳而立的观测者眼帘中的虹，正是由以最小偏向角从水滴中出射的七色光束组成。
阳光中的红光最小偏向角最小，为137°42′（约138°），即以最小偏向角从水滴中出射的红色光线与地面的夹角（即仰角）约为（180°－138°）42°；紫光的最小偏向角最大，为139°24′（约140°），即从最小偏向角出射的紫色光线与地面的夹角（即仰角）约为（180°－140°）40°。当太阳光照射到对面雨（云）幕上时，凡是从以观测点为顶点并与轴（人眼和太阳中心的连线）成42°的圆锥体表面上水滴出射的红光、从与轴成40°圆锥体表面上水滴出射的紫光以及从介于这两个圆锥面之间水滴出射的橙、黄、绿、青、蓝等色光组成的彩色光环（均为以最小偏向角从水滴中出射的光），正好（半环）进入观测者眼中。这就是我们看到的虹。因此，虹是一个彩色光环，由外环至内环光序依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。观测者在不同高度看到的虹，虽然（最大）仰角都是41°左右，但却不是同一条虹，而是由从不同水滴出射的七色光组成的。
通常，我们很难看到完整的环形彩虹，只能看到半弧彩虹，因为另一半在地平线之下。如果站在视野开阔的高山之巅，则可将环形彩虹尽收眼底。
虹是日照雨（云）幕的产物，并且总是出现在太阳对面的雨（云）幕上，当太阳高度角太大（大于42°）时，彩虹在地平线以下，我们将无法看到。因此，只有在雨后“斜阳”时，太阳对面雨（云）幕上出现的虹才能进入我们的视野。
虹的色彩和宽度与水滴大小有关。水滴愈大，虹带愈狭窄，色彩愈鲜明；水滴愈小，虹带愈宽，色彩愈暗淡。水滴过小，则不可能出现虹。
有时在虹的外侧还能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫内红，这就是副虹或霓。
虹与霓
霓和虹的不同之处在于光线在水滴内产生二次内反射，即光线从水滴下部入射，经下部后壁反射至上壁，再由上壁反射至前壁下部出射。由于从最小偏向角出射的红色光线与地面的夹角（仰角）为50.67°，紫色光线的为53.6°，因此霓的半径视张角（半径两端与观测者连线间的夹角）约52°（虹约41°），且光序与虹相反，外紫内红。因为形成霓的光经两次内反射，所以霓的光泽较弱、较淡。
虹对未来天气变化具有一定的指示意义。天气谚语“东虹日头西虹雨”有一定的道理。在中高纬度，天气系统一般自西向东移动。因为虹是日照（云）雨的产物，因此，虹在西方，表明西面有云雨；虹在东方，表明雨区已东移，本地天气将晴好。
7.3环绕日月的七彩光环
当日月之光穿过薄薄的云层时，常常在云幕上产生围绕日月的彩色光环。这些奇妙的自然景观，曾被文人书写，摄影家定格，画家描绘。
7.3.1绮丽的华
华是环绕在日月周围的彩色光环。太阳外面的华叫日华，月亮外面的华叫月华。因日光太亮，人们不易观察到日华，月华则比较常见。华的色带排列与虹类似，也是内蓝外红，只是各色的清晰度和鲜艳度远逊于虹。
日月在薄云上形成的紧贴日盘或月盘的华，得益于光的衍射。
几何光学表明，光在均匀媒质中按直线定律传播，在两种媒质的分界面按反射定律和折射定律传播。但是，当光遇到障碍物且障碍物线长（直径）和光的波长相当或小于光的波长时，光将离开直线路径，绕开障碍物，进入直线传播定律所划定的几何阴影区，这种现象称光的衍射现象。光的衍射表明，光具有波动性。
根据惠更斯－菲涅耳原理，波源发散出去的每一个波的波面上的任意一个点，都可以看成新的波源。当波面到达障碍物边缘时，就会在边缘处形成新的波源。新的波源产生的波，将绕过障碍物，形成以障碍物为圆心的环形波向前传播。
若天空中有透光薄云，云粒子大小均匀且线长小于等于光波波长，日（月）光通过云层时，光波将从障碍物——云滴边缘绕过，在云滴后（下）面形成以日（月）点为圆心的彩色衍射光环——华。
衍射并不具有折射那种将白光分成七色光的本领，但却能产生“分色”效果。衍射产生的环形波纹宽度与光的波长有关，波长越长，衍射波纹越宽。在衍射形成的彩色华环中，波长最长的红光衍射波纹最宽，波长最短的紫光衍射波纹最窄，其余五色衍射波纹介于其间。正是华环中七色波纹宽度的差异，形成了外红内紫的彩色华环。
根据衍射的特点，障碍物尺度越小，衍射光波及的范围越大。因此，云粒子线长比较均匀时，形成的华环比较完整；云粒子之间线长差别较大时，因衍射光波及范围的差异以及大于光波波长的大粒子对光的反射，形成的华环不规则，甚至残缺不全。云粒子越大（不能超过光的波长），衍射光波及范围越小，形成的华环直径越小；云粒子越小，衍射光波及范围越大，形成的华环直径越大。
华环直径的变化，可预示天气变化。如果华环逐渐扩大，表明云粒子因蒸发（升华）而变小，预示天晴；如果华环直径在缩小，表明云粒子在逐渐增大，云层逐渐增厚，天气将转阴雨。因此，有“大华晴，小华雨”之农谚。
7.3.2绚丽的晕
晕是环绕在日月周围的彩色光环，色带排列内红外蓝。太阳常见的光环半径视角为22°或46°。太阳周围的光环称日晕，月亮周围的光环称月晕。有时候，太阳周围的光环上还会出现一些明亮的彩色或白色光点，这是罕见的“多日”现象，气象上称为“幻日”或“假日”。
日月晕是日月光通过由冰晶粒子组成的薄云（气象上称卷层云）发生折射形成的。
由于日月光线经云中冰晶折射分光后，由最小偏向角出射的光最集中、最明亮，因此日月晕就是由最小偏向角出射的七彩光形成的光学景观。
日月光通过冰晶后的最小偏向角与入射面和出射面之间的夹角有关。冰晶常呈六角柱状、六角板状等形状。由于每个冰晶有上下两个底面和6个侧面，再加上冰晶在大气中随机分布并且没有固定的方向，光的入射面、入射角度，在冰晶中的路径，反射面、反射角度，出射面和出射角度也就存在差异。当日月光从夹角为60°的冰晶两个相邻侧面入射和出射时，七色光的最小偏向角平均约22°，半径视角22°的晕环就是由22°最小偏向角出射的光线形成；当日月光入射面和出射面夹角为90°（从冰晶上底入射、侧面出射，或从侧面入射、下底出射）时，七色光的最小偏向角平均约46°，半径视角46°的晕环就是由46°最小偏向角出射的光线形成的。由于红光的最小偏向角最小，紫光的最小偏向角最大，因此无论是22°晕环还是46°晕环，都是红光居内、紫光居外。
如果日环上局部冰晶集中且排列规则时，从最小偏向角出射的日光显得特别明亮耀眼，形成状如太阳的光点，这种“光点”称幻日或假日。
农谚“日晕三更雨，月晕午时风”，指的是白天太阳旁出现晕环，预兆半夜前后要下雨；晕环出现在月亮周围，预兆不久要刮风。当然，日晕不一定只兆雨，月晕不一定只兆风，只是说明天气将转坏。