Время восхода и захода Солнца в любом месте земного шара в любой день года рассчитывается по астрономическим формулам достаточно точно. Эти сведения публикуются в астрономических справочниках и даже в обыкновенных календарях и местных газетах. А пробовали ли вы проверить по часам, действительно ли день начинается и заканчивается в те часы и минуты, которые указаны в календаре? Если проверите, то убедитесь: рассчитанное время восхода и захода и действительное далеко не всегда совпадают. В чем же причина этого? Может быть, астрономические формулы не очень точны? Нет, формулы достаточно точны. Дело в том, что свои „коррективы" вносит атмосфера, окружающая Землю. Если бы ее не было, то прогноз времени восхода и захода любого светила всегда оправдывался бы с большой точностью.

Плотность воздуха в атмосфере быстро уменьшается с высотой. Вместе с плотностью изменяется показатель преломления n и скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере v. Как известно, п = c/v, где с — скорость распространения электромагнитных волн в пустоте. Показатель преломления воздуха очень близок к единице. Например, для красных лучей он равен 1,000275, для фиолетовых 1,000283. Поэтому при расчетах удобнее пользоваться величиной (n — 1), называемой индексом рефракции.

Индекс рефракции пропорционален плотности воздуха , а так как из уравнения состояния любого газа , то

(10.1)

Здесь n₀, , p₀ и T₀ — соответственно показатель преломления, плотность, давление и температура воздуха у поверхности Земли, R — универсальная газовая постоянная.

Если электромагнитная волна проходит в атмосфере достаточно большой путь, вдоль которого изменяются температура воздуха T и его давление p, волна будет преломляться.

Рефракцией называется преломление электромагнитных волн в атмосфере в силу неоднородности плотности воздуха, как в горизонтальном, так и, особенно сильно, в вертикальном направлениях. Траектории электромагнитных волн в атмосфере представляют собой сложного вида кривые.

Помимо температуры и давления индекс рефракции зависит от длины волны . Одновременная зависимость (n — 1) от трех параметров (р, Т и ) выражается эмпирической формулой, справедливой для электромагнитных волн широкого диапазона, примерно от 0,20 до 20 мкм:

(10.2)

В этот диапазон входят ультрафиолетовые, световые и инфракрасные волны. В дальнейшем для краткости будем употреблять термин световые лучи, так как именно световые электромагнитные волны обусловливают многочисленные оптические явления, возникающие в результате рефракции.

Из формулы (10.2) следует, что чем короче длина волны, тем сильнее она преломляется, т. е. тем более сильную рефракцию она испытывает. Например, фиолетовые лучи (0,40 мкм) сильнее преломляются, чем зеленые (0,55 мкм), а зеленые — сильнее, чем красные (0,76 мкм). При длительном пути светового луча в атмосфере, белый луч за счет рефракции разлагается в спектр. Этой зависимостью рефракции от длины волны мы неоднократно воспользуемся в дальнейшем для объяснения многочисленных световых явлений, порождаемых ею.