A luz do Sol que chega ao topo da atmosfera é praticamente branca, ou seja, contém todas as cores visíveis em proporções semelhantes. Se não houvesse ar, o céu seria preto durante o dia, com o Sol como um disco brilhante em um fundo escuro — exatamente o que astronautas fotografam em órbita.
Espalhamento depende do comprimento de onda
As moléculas de nitrogênio e oxigênio do ar são muito menores que o comprimento de onda da luz visível. Nessas condições vale o espalhamento Rayleigh, em que a intensidade do desvio cresce enormemente conforme a cor se aproxima do violeta. Na prática, a luz azul é espalhada várias vezes mais que a vermelha.
O resultado é que a luz azul é redistribuída em todas as direções pela atmosfera e chega aos seus olhos vinda de todo o céu, e não apenas da direção do Sol. Por isso a abóbada inteira parece azul, mesmo com uma única fonte pontual de luz.
Uma pergunta natural aparece aqui: se o violeta é espalhado ainda mais que o azul, por que o céu não é violeta? Por dois motivos combinados. A luz solar contém menos violeta que azul, e a sensibilidade dos nossos receptores visuais é bem menor nessa faixa. A soma percebida pelo cérebro resulta em azul.
O que muda no fim da tarde
Com o Sol próximo ao horizonte, a luz precisa atravessar uma espessura muito maior de atmosfera antes de chegar até você. Nesse percurso longo, o azul é espalhado repetidamente para fora da linha de visão, e o que sobra na direção direta do Sol são as cores de comprimento de onda longo: laranja e vermelho.
Poeira, fumaça e partículas de queimada intensificam o efeito e produzem poentes especialmente vermelhos, mas não são a causa do fenômeno. Ele existiria em uma atmosfera perfeitamente limpa.
Por que as nuvens são brancas
Gotículas de água em uma nuvem são grandes em comparação com o comprimento de onda da luz. Nesse regime, o espalhamento deixa de privilegiar cores curtas e passa a afetar todas de maneira semelhante. Como todas as cores são desviadas igualmente, a nuvem devolve luz branca.
Quando a nuvem fica muito espessa, boa parte da luz é absorvida e refletida antes de atravessá-la, e a base aparece cinza-escura. Não é uma mudança de cor, e sim de quantidade de luz que consegue passar.
O mesmo raciocínio em outros lugares
O oceano parece azul por uma combinação de dois fatores: o reflexo do céu e a absorção preferencial de vermelho pela própria água ao longo de alguns metros de profundidade. Mergulhadores notam isso na prática, porque objetos vermelhos ficam acinzentados abaixo de certa profundidade, até que uma lanterna devolva a cor original.
E a Lua durante um eclipse total fica avermelhada exatamente pelo mesmo motivo do poente: a única luz que chega até ela passou de raspão pela atmosfera terrestre, que filtrou o azul pelo caminho. É um pôr do sol projetado a quatrocentos mil quilômetros de distância.