Atmosfer optiği Dünya atmosferinin kendine özgü optik özelliklerinin nasıl geniş ölçüde optik olgulara yol açtığını inceler. Gökyüzünün mavi rengi, yüksek frekanstaki mavi güneş ışığını gözlemcinin görüş alanına yönlendiren Rayleigh dağılımının direkt bir sonucudur. Mavi ışık kırmızıdan daha kolay dağılıma uğradığı için güneş kalın bir atmosferden gözlendiğinde kırmızı bir ton alır, bu da gündoğumu veya günbatımında olur. Ek olarak gökyüzündeki parçacıklar farklı renkleri farklı açılarda kırarak akşam veya şafak vaktinde rengarenk parlayan bir gökyüzü meydana getirebilir. Haleler, günbatımı parlaklığı, koronalar, güneş ışınları ve yalancı güneşlerin oluşmasında buz kristallerinden ve diğer parçacıklardan saçılım sorumludur. Bu olgulardaki çeşitlilik parçacık boyut ve geometrilerine bağlıdır. Seraplar, ışık ışınlarının havanın kırıcılık endeksindeki termal çeşitlilik sonucu eğilmesiyle gözlenen bir olgu olup, uzak cisimlerin görüntülerinde yerdeğiştirme ya da bozulma gözlenmesine yol açar. Bununla ilgili diğer optik olguların arasında, güneşin bozulmuş bir şekille beklenenden daha erken doğması veya daha geç batması olan Novaya Zemlya efekti vardır. Sıcaklık değişimi ile Fata Morgana adında, ufuktaki veya daha uzaktaki cisimlerin -ada, kayalık, gemi veya buzdağı gibi- uzamış veya yükselmiş olarak algılanmasıyla görülmeye değer bir kırılma formu oluşur. Gökkuşağı ışığın yağmur damlacıklarındaki iç yansıması ve kırınımının bir birleşimidir. Gökkuşağı gökyüzünde güneşin zıt tarafında görüldüğü için, güneş ufka yakınken aralarındaki mesafe arttığından daha belirgin olur.