Birçok gizem barındırmasının yanı sıra çeşitli atmosfer olaylarının da gerçekleştiği gökyüzü bilimsel olarak tam bir tanıma sahip değildir. Ancak genel olarak kuşların ve uçakların uçtuğu, gökkuşağı ve yağmur gibi çeşitli olayların dışında güneşin batışının ya da yıldız kaymasının da gerçekleştiği bilinen özel bir alan, bir tür boşluk olarak tanımlanmaktadır.
Gökyüzünde gerçekleşen her durumun bilimsel bir açıklaması bulunmaktadır. Bilim insanları yüzlerce yıldır süren araştırmaların ardından birçok konuya açıklık getirebilmiştir. Yine de gökyüzünde görülen ya da meydana gelen bazı durumlar ya henüz keşfedilmemiş ya da tam olarak açıklanamamıştır.
Renginin neden mavi olmasından oluşan bulutlara kadar gökyüzünde olan ve görülebilen her şey için deneyler ve gözlemler sonucu çeşitli tespitler yapılmıştır.
Güneş ışıkları içinde birçok renk barındırmaktadır. Güneşteki bu farklı renklerin varlığı beyaz ışığın bir prizmadan geçtiği zaman elde edilen görüntüye benzer bir durumdur. Direkt olarak güneşten geldiği bilinen bu beyaz ışık dünyanın atmosferine doğru yol alırken çeşitli parçacıklarla çarpışmasının sonucunda saçılır. Saçılma oranı ışığın dalga boyuna bağlı olarak azalabilir ya da artabilir. Dalga boyu kısaldığı sürece saçılmanın miktarı artmaktadır. Örnek olarak kısa dalga boylu olan mavi ışık uzun dalga boyu bulunan kırmızı ışığa göre çok daha büyük bir oran ile saçılmaktadır. Işığın kendi dalga boyundan daha küçük boyutlarda tanecikler tarafından saçıldığını ifade edebilmek için ayrıca bir terim kullanılmaktadır. Bu terim Rayleigh saçılmasıdır.
Rayleigh saçılması durumunun miktarı ışığın dalga boyunun dördüncü gücü ile ters bir orantıya sahiptir. Bu da dalga boyu kısaldıkça saçılan ışık miktarının arttığı anlamına gelmektedir. Gökyüzüne bakıldığı zaman mavi renk görülmesi durumu da bu dalga boyları ile ilgili bir durum olarak gerçekleştirmektedir.
Gökyüzüne bakıldığı zaman mavi rengin görülmesi güneşten gelmiş olan farklı renklerdeki dalga boylarındaki ışıkların farklı oranlarda dağılmasının ve saçılmasının bir sonucu olarak meydana gelen bir durumdur. Güneşin gökyüzünde yükseldiği süreçte güneşten gelen kısa dalga boylu olan mavi ışıklar daha uzun dalga boyu olan renklere göre çok daha fazla saçılır. Bu sayede her yöne dağılır ve bu durum da gökyüzünün mavi olarak görülmesine neden olur.
Güneşin batışı ya da doğuşu gibi ufka çok yakın olduğu zamanlarda daha farklı bir durum meydana gelmektedir. Ufka yakın olduğu zaman güneş ışınları atmosferde daha fazla yol alır. Bu yol boyunca ise kısa dalga boyuna sahip olan mavi ışıklar çok fazla saçılma ve soğrulma yaşar. Mavi ışık, uzun dalga boyuna sahip olan kırmızı diğer renklere göre insan gözüne çok daha fazla miktarlarda ulaşabilmektedir.
Göğe bakıldığı zaman birçok renk görülebilmektedir. Mor ışıklar en kısa dalga boyuna sahiptir. Saçılma miktarı ise diğer renklere göre çok daha fazla olmaktadır. Bu duruma bağlı olarak gökyüzünde mavi değil mor rengin daha fazla görülmesi beklenebilir. Ancak gökyüzünde mor değil mavi renk hakim olarak görünmektedir. Bu durumun nedeni ise insanların gözlerindeki ışık reseptörlerinin yani algılayıcılarının diğer renklere oranla mavi renge karşı daha duyarlı olmasından kaynaklıdır.