Световой луч S поступает на границу атмосферы от источника, находящегося за ее пределами (рис. 10.1). Разобьем атмосферу на несколько концентрических слоев, достаточно тонких, чтобы внутри каждого из них показатель преломления n можно было считать постоянным. Обозначим слои I, II, III и т. д., а соответствующие им показатели преломления n₁, n₂, n₃ и т. д. Плотность воздуха в направлении к Земле возрастает, поэтому n₁ < n₂ < n₃ < ...

Световой луч на границе каждых двух слоев будет преломляться, постепенно приближаясь к перпендикуляру. Траектория луча искривляется и при нормальном распределении плотности оказывается обращенной к земной поверхности своей вогнутой стороной. Так как мы видим любой источник света по направлению касательной к последнему участку траектории луча, то нам будет казаться, что источник S находится выше, чем он есть в действительности, на угол , называемый углом астрономической рефракции. Рефракция называется астрономической, если источник света находится за пределами атмосферы. Чем более длинный путь в атмосфере проходят лучи, тем более сильную рефракцию они испытывают. Наиболее длинный путь в атмосфере лучи проходят при положении светила у горизонта, т. е. в моменты близкие к его восходу или заходу. В это время оптическая масса атмосферы, проходимая лучами, в 35 раз больше, чем оптическая масса, проходимая лучами при вертикальном их падении на атмосферу.

При нормальном состоянии атмосферы, т. е. таком состоянии, когда атмосферное давление составляет 1000 гПа, температура воздуха 0° С, а ускорение свободного падения соответствует ускорению свободного падения на широте 45° и уровне моря, угол рефракции составляет немногим более полуградуса, примерно 35'. По мере увеличения высоты светила угол рефракции очень быстро уменьшается и становится равным нулю, когда светило находится в зените. Таким образом, за счет рефракции высота всех светил, наблюдаемых на небосводе — Солнца, Луны, созвездий, планет и т. д., увеличивается на угол , и тем больше, чем ближе к горизонту находится светило.

Поскольку рефракция влияет на положение светил на небосводе, в точном определении угла астрономической рефракции заинтересованы астрономы, водители судов и т. д.

Для видимых зенитных расстояний светил Z_в меньше 60° угол в угловых секундах с точностью до 1" можно вычислить по формуле:

(10.3)