La luminosité de la lueur diffusée du ciel nocturne c'est-à-dire la somme de la composante naturelle de la lueur diffusée et de celle due à la pollution lumineuse peut également être mesurée par des amateurs avec des instruments tels que l’indicateur de qualité du ciel, visuellement, en utilisant l’échelle du ciel sombre de Bortle. Les neuf classes de l'échelle de Bortle classent l'obscurité du ciel nocturne et la visibilité de ses phénomènes tels que la voie lactée et la lumière zodiacale (facilement masquée par la lueur diffuse du ciel) en fournissant une description détaillée de chaque niveau de l'échelle (la classe 1 est la meilleure). Vous pouvez également utiliser votre téléphone pour mesurer la luminosité du ciel nocturne. L'application l’échelle du ciel sombre utilise l'appareil photo de l'iPhone pour enregistrer la luminosité du ciel nocturne, tandis que l'application ‘Perte de la nuit’ également disponible pour Android guide l'utilisateur dans le ciel, les mesures étant prises avec un autre instrument sensible : l'œil humain.
Plus généralement, lorsque l'on souhaite mesurer objectivement la pollution lumineuse du ciel nocturne sur un site donné, les niveaux de lumière peuvent être quantifiés par une mesure directe (visuelle ou instrumentale, par exemple photoélectrique) du champ lumineux ou par une modélisation mathématique, les résultats étant généralement affichés sous la forme d'une carte d'isophores ou carte de contour lumineux. Au contraire, la mesure de la composante artificielle de la lueur du ciel à l'échelle mondiale est une procédure complexe, car elle nécessite la soustraction de la lumière naturelle de fond. L'atmosphère, en effet, n'est pas complètement sombre, même en l'absence de sources terrestres de lumière et d'illumination de la lune. Cela est dû à deux sources principales : la luminescence naturelle nocturne et la diffusion de la lumière. En fait, à de grandes altitudes surtout au-dessus de la mésosphère, il y a suffisamment de rayonnement UV du Soleil de très courtes longueurs d'onde pour provoquer une ionisation. Lorsque les ions entrent en collision avec des particules électriquement neutres, ils se recombinent et émettent alors des photons, ce qui provoque une luminescence nocturne. Le degré d'ionisation est suffisamment important pour permettre une émission constante de rayonnement même la nuit, lorsque la haute atmosphère se trouve dans l'ombre de la terre.
En plus d'émettre de la lumière, le ciel diffuse également de la lumière entrante (c'est le phénomène de diffusion, causé par des particules petites par rapport à la longueur d'onde de la lumière), en particulier en provenance d'étoiles lointaines et de la voie lactée, mais aussi de la lumière dite "zodiacale", c'est-à-dire la lumière du soleil qui est réfléchie et diffusée par les particules de poussière interplanétaires présentes dans les plans orbitaux du système solaire. La quantité de luminescence nocturne naturelle et de lumière zodiacale est assez variable (selon l'activité solaire et le cycle solaire) mais, dans des conditions optimales, le ciel le plus sombre possible a une luminosité d'environ 22 magnitudes. La "magnitude" est utilisée en astronomie comme une mesure (logarithmique) de la luminosité des étoiles et autres corps célestes, les objets les plus brillants atteignant des valeurs négatives. Le soleil a une magnitude apparente de -27, la pleine lune -13, la planète la plus brillante (Vénus) -5, et Sirius - l'étoile la plus brillante du ciel -1,5. Les étoiles les plus faibles visibles à l’œil nu ont une magnitude de 6. Si la pleine lune est présente, la luminosité du ciel augmente jusqu'à environ la 18ᵉ magnitude, arcsecond carré, c'est-à-dire que le ciel est environ 40 fois plus lumineux que le ciel plus sombre. Dans les zones densément peuplées, une luminosité du ciel de 17ᵉ magnitude, arcsecond carré n'est pas rare, et équivaut à un ciel 100 fois plus lumineux qu'il ne l'est naturellement. Les astrophiles expérimentés mesurent la qualité du ciel non seulement visuellement avec l'échelle de Bortle et instrumentalement avec le "Sky Quality Meter" ou d'autres systèmes plus sophistiqués mais aussi en estimant la magnitude limite zénithale visible à l'œil nu, c'est-à-dire la luminosité des étoiles les plus faibles visibles au-dessus de leur tête. La magnitude limite des meilleurs sites d'observation italiens est de l'ordre de 6,3 (correspondant approximativement à la classe 3 de Bortle) - 6,6 (correspondant approximativement à la classe 2 de Bortle). Notez qu'il existe également une formule de conversion très utile entre la valeur de la qualité du ciel mesurée de manière instrumentale avec l’indicateur de qualité du ciel et la magnitude limite zénithale visible à l'œil nu, qui peut donc être utilisée pour convertir la valeur de l’indicateur de qualité du ciel en magnitude limite ou vice versa. Il est donc excellent pour ceux qui ne se contentent pas de connaître uniquement la classe Bortle.