При наблюдении рассеянного света под прямым углом (90°) к первичному пучку через поляризатор N обнаруживается, что рассеянный свет линейно поляризован, хотя первоначальный свет, идущий от S, естественный. Направление электрического вектора в рассеянном свете перпендикулярно к плоскости, проходящей через направление первичного пучка и направление наблюдения.

Если оценить интенсивность света, рассеянного по разным направлениям, то она окажется симметричной относительно оси первичного пучка и относительно линии, к ней перпендикулярной (рис.1). Кривая, графически показывающая распределение интенсивности рассеянного света по разным направлениям, носит название индикатрисы рассеяния. При естественном падающем свете индикатриса рассеяния имеет вид, показанный на рис.1, и выражается формулой

Причина окраски неба в дневное время и в сумерки долгое время оставалась необъясненной, хотя этот вопрос исследовался на протяжении доброй сотни лет. Почему чистое небо днем большей частью голубое, а у горизонта белесое? Почему заходящее солнце обычно красное, а небо над ним окрашено в разные цвета? Почему в сумерки в восточной части неба появляется искривленная тень с розовой границей? Почему в западной части неба вскоре после захода солнца иногда возникает фиолетовое пятно, которое через некоторое время исчезает, и почему такое же пятно иногда появляется спустя два часа? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно знать, как взаимодействует свет с молекулами атмосферных газов и с взвешенными в воздухе частицами. На некоторые из этих вопросов однозначные ответы еще не получены. Предполагалось, что просто газ, например воздух, очищенный от всех взвешенных частиц, не будет рассеивать свет и разлагать его на цвета спектра.
Однако в статье, опубликованной в 1899 г., Рэлей все–таки признал, что рассеяние солнечного света и разделение его на цветовые компоненты – дело молекул атмосферных газов и что "даже в отсутствие посторонних частиц в воздухе небо все равно было бы голубым". Рэлей построил изящную модель, объясняющую, как молекулы рассеивают свет. Чтобы разобраться в этой модели, рассмотрим молекулу (неважно какого газа), освещенную белым светом. Белый свет представляет собой смесь всех лучей видимого спектра, каждому из которых соответствует определенная длина волны. Она возрастает последовательно от синей части спектра к зеленой, желтой и красной; длина волны красного света в 1,68 раза больше длины волны синего.
 

Каждая составляющая белого света рассеивается на молекуле во всех направлениях, но распределение это неоднородно. Наибольшее количество света рассеивается вперед (как если бы свет проходил через молекулу насквозь) и в обратном направлении (к солнцу). В направлении, перпендикулярном солнечному лучу, света рассеивается вдвое меньше. Все лучи спектра рассеиваются сходным образом, но для каждого цвета интенсивность света, рассеиваемого в определенном направлении, различна. Рэлей обнаружил, что эта интенсивность обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Таким образом, коротковолновая радиация (синий свет) рассеивается сильнее, чем длинноволновая (красный свет). Поскольку отношение длин волн этих лучей равно 1,68, интенсивность рассеянного синего света в 1,684, или примерно в 8, раз больше, чем интенсивность рассеянного красного света.
Предположим, вы воспринимаете свет, рассеянный перпендикулярно падающему солнечному лучу. Если бы вы могли увидеть свет, рассеиваемый одной молекулой, он показался бы вам голубоватым, поскольку синие лучи в рассеянном свете имели бы наибольшую интенсивность. Реальные условия отличаются лишь тем, что свет в вашем направлении рассеивают многие молекулы. Именно так обстоит дело, когда вы смотрите на небо под углом к солнцу. Все молекулы, лежащие вблизи линии вашего взора, рассеивают в вашем направлении свет, который и кажется голубоватым; небо не выглядит ярко–синим, поскольку лучи других цветов, хотя и более бледные, также попадают в ваши глаза.
Борен и Фрейзер выдвинули и сами же опровергли одно возражение против объяснения голубизны неба, данного Рэлеем. Самые короткие волны в видимой части спектра – фиолетовые, а не синие. Почему же тогда небо не кажется фиолетовым? Борен и Фрейзер считают, что на то есть две причины. Одна, менее важная, заключается в том, что в солнечном спектре фиолетового света меньше, чем синего, поэтому рассеивается фиолетового света также меньше. Другая причина, более важная, состоит в том, что человеческий глаз более чувствителен к синему свету, чем к фиолетовому.
Люди часто приписывают голубую окраску неба рассеянию света на молекулах водяного пара, – наверное, потому, что большие объемы воды имеют голубоватый оттенок. Одна из причин, почему озеро может казаться голубым, состоит в том, что, когда свет проходит расстояние в сотни метров в толще озера, вода частично поглощает красные лучи, и свет, доходящий в конце концов до наблюдателя, кажется более синим. Борен и Фрейзер указали, что атмосфера содержит слишком мало водяного пара, чтобы этот эффект мог оказать какое–либо влияние на окраску неба.
Причину голубой окраски неба искали также в слое озона, который располагается на высотах от 10 до 40 км с максимальной концентрацией на высоте 25 км. Полосы поглощения молекул озона располагаются на красном конце спектра. Может быть, красные лучи в солнечном свете ослабляются при прохождении через слой озона, так что свет, достигающий земли, содержит больше синих лучей? Борен и Фрейзер утверждают, что хотя озон действительно поглощает часть составляющих из красного конца спектра, этот эффект играет незначительную роль. Когда вы смотрите вверх на дневное небо вы видите свет, который прошел слишком короткий путь в слое озона, чтобы поглощение было существенным. В сумерки, когда солнечные лучи идут наклонно (а значит, проходят более длинные пути) через слой озона, поглощение в этом слое становится более существенным, но ответственным за голубую окраску неба по–прежнему остается рассеяние Рэлея.