電磁波同大氣分子或氣溶膠等發生相互作用，使入射能量以一定規律在各方向重新分佈的現象。其實質是大氣分子或氣溶膠等粒子在入射電磁波的作用下產生電偶極子或多極子振盪，並以此為中心向四周輻射出與入射波頻率相同的子波，即散射波。散射波能量的分佈同入射波的波長、強度以及粒子的大小、形狀和折射率有關。
大氣散射是重要而且普遍發生的現象，大部分進入我們眼睛的光都是散射光。如果沒有大氣散射，則除太陽直接照射的地方外，都將是一片黑暗。大氣散散射作用削弱瞭太陽的直接輻射，同時又使地面除接收到經過大氣削弱的太陽直接輻射外，還接收到來自大氣的散射輻射，大大增加瞭大氣輻射問題的復雜性。大氣散射是大氣光學和大氣輻射學中的重要內容。也是微波雷達、激光雷達等遙感探測手段的重要理論基礎（見微波大氣遙感、激光大氣遙感）。
光和粒子的相互作用，按粒子同入射波波長(λ)的相對大小不同，可以采用不同的處理方法：當粒子尺度比波長小得多時，可采用比較簡單的瑞利散射公式；當粒子尺度與波長可相比擬時，要采用較復雜的米散射公式；當粒子尺度比波長大得多時，則用幾何光學處理。一般考慮具有半徑γ的均勻球狀粒子的理想散射時，常采用無量綱尺度參數x=2πr/λ作為判別標準：當x＜0.1時，可用瑞利散射；當x≥0.1時，需用米散射；當x＞50時，可用幾何光學。同一粒子對不同波長而言，往往采用不同的散射處理方法，如直徑1微米的雲滴對可見光的散射是米散射；但對微波，卻可作瑞利散射處理。
瑞利散射 英國科學傢J.W.S.瑞利在19世紀末研究天空顏絕時提出的。因最初用於解釋大氣分子對可見光的散射，故又稱分子散射。凡是粒子尺度遠小於入射波長的散射現象，統稱為瑞利散射。這種散射光的強度隨不同的散射角θ入射光方向和散射光方向的夾角）而變。以Ф(θ)表示單位強度的自然光入射時，單個粒子在θ方向單位立體角中散射的光通量，則有：
式中n為粒子的折射率。瑞利散射具有如下特點：①散射光強與波長四次方成反比。②粒子前半部和後半部的散射光通量相等，按（1+cos2θ）的關系分佈。③前向（θ=0）和後向(θ=180°)的散射光最強，都比垂直方向(θ=90°、270°)強一倍。④前向和後向的散射光與入射光偏振狀態相同；而垂直方向的散射光為全偏振，即其平行分量（振動方向與觀測平面平行的分量，觀測平面系由入射光和散射光組成的平面）為零，隻存在垂直分量（圖1）。
米散射 當球形粒子的尺度與波長可比擬時，必須考慮散射粒子體內電荷的三維分佈。此散射情況下，散射粒子應考慮為由許多聚集在一起的復雜分子構成，它們在入射電磁場的作用下，形成振蕩的多極子，多極子輻射的電磁波相疊加，就構成散射波。又因為粒子尺度可與波長相比擬，所以入射波的相位在粒子上是不均勻的，造成瞭各子波在空間和時間上的相位差。在子波組合產生散射波的地方，將出現相位差造成的幹涉。這些幹涉取決於入射光的波長、粒子的大小、折射率及散射角。當粒子增大時，造成散射強度變化的幹涉也增大。因此，散射光強與這些參數的關系，不象瑞利散射那樣簡單，而用復雜的級數表達，該級數的收相當緩慢。這個關系首先由德國科學傢G.米得出，故稱這類散射為米散射。它具有如下特點：①散射強度比瑞利散射大得多，散射強度隨波長的變化不如瑞利散射那樣劇烈。隨著尺度參數增大，散射的總能量很快增加，並最後以振動的形式趨於一定值。②散射光強隨角度變化出現許多極大值和極小值，當尺度參數增大時，極值的個數也增加。③當尺度參數增大時，前向散射與後向散射之比增大，使粒子前半球散射增大（圖2）。當尺度參數很小時，米散射結果可以簡化為瑞利散射；當尺度參數很大時，它的結果又與幾何光學結果一致；而在尺度參數比較適中的范圍內，隻有用米散射才能得到唯一正確的結果。所以米散射計算模式能廣泛地描述任何尺度參數均勻球狀粒子的散射特點。
多次散射 散射體中往往包含很多散射粒子，因此每個粒子的散射光都會被其他粒子再散射。如P 粒子的散射光可被Q粒子再次散射，而Q粒子的散射光又會被R粒子第三次散射。對直接入射光的散射稱為一次散射，以後的散射依次稱為二次、三次……散射，或統稱為多次散射。顯然，在其他散射方向的一次散射光，由於多次散射的結果，還可能再次沿入射光方向散射。多次散射的計算很復雜。有人計算出，當大氣光學厚度（見大氣消光τλ＜0.1時，隻需考慮一次散射；而當τλ>0.3時，則還需計及二、三次散射；當τλ在0.1～0.3時，則需計及二次散射在內。
天空顏色 由於瑞利散射的強度與波長四次方成反比，所以太陽光譜中紫光的散射比紅光強得多，這就造成大氣的散射光譜（散射光能量按波長的分佈）對於入射的太陽光譜而言，向短波方向移動。因太陽光譜在短波段中以藍光能量最大，所以在晴空大氣渾濁度小時，在大氣分子的強烈散射作用下，天空即呈現蔚藍色。但當大氣渾濁時，由於大氣氣溶膠的米散射作用，散射光強與波長沒有顯著的關系，從而使天空呈現灰白色。另外，在氣溶膠粒子強烈的前向散射作用下，使得太陽周圍的天空特別明亮，這就是日周光。以上種種現象都是大氣散射的結果。由於大氣密度隨高度急劇降低，大氣分子的散射效應相應為之減弱，天空的顏色也隨高度由蔚藍色變為青色（約8公裡）、暗青色（約11公裡）、暗紫色（約13公裡）、黑紫色（約21公裡），再往上，空氣非常稀薄，大氣分子的散射效應極其微弱，天空便為黑暗所湮沒。
參考書目
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