L'air sec est essentiellement constitué d'azote (78%), d'oxygène (21%) et d'argon (0,95%). Les rayons lumineux du Soleil traversent cette couche de molécules sans être modifiés, à l'exception cependant d'une fraction d'entre eux qui, heurtant une molécule d'air, sont diffusés dans une autre direction. Ce processus est suffisamment peu intense pour que la part du rayonnement incidemment renvoyée par les molécules d'air vers l'espace soit minime. Par contre, il modifie profondément notre vision du ciel: sans lui, le Soleil brillerait de mille feux au milieu d'un ciel noir. Grâce à la diffusion par les molécules de l'atmosphère, le ciel lui-même rayonne. Ce phénomène est plus intense pour les plus petites longueurs d'onde qui composent le spectre visible du rayonnement solaire, c'est-à-dire dans la couleur bleue, ce qui donne au ciel sa couleur azurée. En présence des microgouttelettes d'eau qui forment les nuages, cette différenciation disparaît: toutes les longueurs d'onde visibles sont diffusées de façon identique et les nuages nous apparaissent de ce fait de couleur blanche.

L'air contient également d'autres constituants, en faible quantité, tels que la vapeur d'eau, le gaz carbonique ou dioxyde de carbone (C02), le méthane, différents oxydes d'azote et diverses molécules hydrocarbonées. En quantités négligeables, ils jouent cependant un rôle important dans le bilan des rayonnements reçus et réémis par la Terre. Ils sont à l'origine de l'effet de serre qui rend notre planète habitable.