Il Sole, con buona approssimazione, emette radiazione elettromagnetica come un corpo nero alla temperatura di circa 5780 K. Questa radiazione, raccolta dall'occhio umano, produce uno stimolo che viene tradotto dal cervello come “luce bianca”.

Prima di raggiungere il nostro occhio, la luce solare deve attraversare l'atmosfera terrestre e questo, dal punto di vista microscopico, significa che i singoli costituenti la radiazione (i fotoni) vengono assorbiti e poi riemessi dai costituenti l'atmosfera (atomi, molecole e aerosol) fino a quando raggiungono la retina e diventano stimolo visivo.

Nel suo percorso, la radiazione non viaggia solo lungo la direttrice che va dal Sole al nostro occhio ma, una volta assorbita dai costituenti l'atmosfera, può essere riemessa in tutte le direzioni. Questo meccanismo prende il nome di “diffusione” ed è fondamentale per spiegare il colore rosso del cielo al tramonto (e non solo).

Il modo in cui la radiazione interagisce con l'atmosfera, infatti, dipende sia dalla lunghezza d'onda della radiazione che dalle dimensioni dei costituenti atmosferici. In particolare, l'azoto e ossigeno molecolare (i principali costituenti atmosferici) hanno dimensioni tali da diffondere con maggior efficacia la radiazione di piccola lunghezza d'onda (quella che la nostra mente traduce come “blu”) rispetto alla radiazione di grande lunghezza d'onda (quella che la nostra mente traduce come “rosso”). Molecole e particelle più grandi, invece, assorbono e diffondono facilmente anche la radiazione alla lunghezza d'onda del “rosso”.

Per questo motivo quando il Sole è basso sull'orizzonte i suoi raggi passano attraverso la bassa atmosfera terrestre prima di raggiungere i nostri occhi, e sono costretti a passare attraverso strati atmosferici ove la presenza di aerosol e piccole goccioline d'acqua o cristalli di ghiaccio è sufficiente a diffondere efficientemente il rosso.

Il cielo all'alba e al tramonto, pertanto, appare di colore “rosso” esattamente per le stesse ragioni per cui il cielo a mezzogiorno appare “blu”, cioè a causa della diffusione della luce solare, solo che gli attori della diffusione sono diversi. A mezzogiorno sono l'azoto e l'ossigeno molecolare, all'alba e tramonto sono gli aerosol e altre particelle microscopiche. Il fatto che il “rossore” del cielo sia legato agli aerosol e particelle microscopiche che, a differenza dell'azoto e ossigeno molecolare, sono una componente atmosferica molto variabile, spiega anche il motivo per cui alle volte alba e tramonto sono particolarmente rossi mentre in altri casi lo sono molto poco.

A titolo d'esempio, dopo grandi eruzioni vulcaniche come quella del Pinatubo nel 1991, i tramonti e le albe sono mediamente molto più rossi del solito proprio per la grande quantità di particelle emesse nell'alta atmosfera dove, a seguito della stabilità della stessa, vi persistono a lungo. Per lo stesso motivo, di solito, i tramonti sono più rossi delle albe in quanto grazie alla convezione, l'atmosfera serale è più ricca di aerosol rispetto all'atmosfera mattutina.