Видиме положення світил над горизонтом відрізняється від теоретично обчисленого. Промені світла від небесного тіла проходять через атмосферу Землі і заломлюються в ній. Так як густина атмосфери збільшується до поверхні Землі, то промінь світла все більше відхиляється в одну і ту ж сторону по кривій лінії, так, що напрям ОМ₁, по якому спостерігач бачить світило, є відхиленим в сторону зеніту і не співпадає з напрямком ОМ₂ (||ВМ), по якому він бачив би світило при відсутності атмосфери.

Явище заломлення світлових променів при проходженні ними земної атмосфери називається астрономічною рефракцією.

Кут ∠М₁ОМ₂ – кут рефракції або рефракція ρ.

Кут ∠ZOM₁ – видима зенітна віддаль світила z’.

Кут ∠ZOM₂ – істинна зенітна віддаль z.

З рис. видно z – z’=ρ, або z = z’+ρ   (1)

Істинна зенітна віддаль світила більша видимої зенітної віддалі на величину рефракції ρ.

Всі промені ОМ₁, ОВМ, ОМ₂ лежать в одній площині, тому рефракція не змінює азимута світил, і крім цього дорівнює нулю, якщо світило знаходиться в зеніті.

Якщо світило знаходиться в кульмінації, то рефракція змінює лише його схилення (на ту ж величину, що й зенітну віддаль), бо площини годинникового і вертикального кіл співпадають.

У решта випадках (не кульмінує) ці площини перетинаються під кутом, а тому рефракція змінює і схилення, і пряме сходження світил.

При тиску В мм.рт.ст. і температурі t^оС наближене значення ρ:

 (2)

З (2): при t=0^оС і тиску В=760 мм.рт.ст. ρ=60",25tg z'    (3)

За формулами (2), (3) обчислення проводиться для z'<70^о. При z'>70^о формули дають похибку >1", яка при прямуванні до горизонту йде до нескінченості; але в дійсності величина рефракції на горизонті ρ≈35'. Тому рефракція (z'>70^о) визначається шляхом поєднання теорії зі спеціальними спостереженнями.

Внаслідок рефракції спостерігається зміна форми дисків Сонця і Місяця при їх сході і заході. Рефракція нижніх країв дисків цих світил біля горизонту майже на 6" більша рефракції верхніх країв, що спричиняє овальну форму видимих дисків.

Заломлення променів зір в неспокійній атмосфері з різкими змінами густини відбувається в різних напрямках, внаслідок чого промені світла доходять до ока спостерігача різними шляхами, а тому сприймаються як зміни блиску і кольору зір. Це явище називається мерехтінням зір. Мерехтіння планет майже непомітне.