Indépendamment des fluctuations dues aux variations de température, il existe une variation d'ensemble de la densité de l'air avec l'altitude, liée à la diminution de pression. En effet plus on s'élève en altitude, plus la pression et la densité de l'air diminuent. Le gradient d'indice qui en résulte est donc dirigé vers le bas, mais il est d'autant moins prononcé que l'altitude est plus élevée.

Donc lorsqu'ils pénètrent dans l'atmosphère les rayons lumineux se courbent vers le sol et modifient la position apparente des astres, qui paraissent relevés sur l'horizon à l'observateur terrestre. C'est le phénomène de réfraction atmosphérique. Il en résulte une erreur dans le relevé de la position angulaire d'un astre, et il est donc nécessaire d'apporter des corrections aux mesures astronomiques.

Le schéma suivant illustre ceci sur le cas le plus commun du soleil (les proportions n'étant pas respectées pour une plus grande clarté).

 

 

 

 

En outre, comme le gradient d'indice est d'autant moins prononcé que l'altitude est élevée, les rayons issus du bord inférieur du soleil sont plus courbés que ceux issus du bord supérieur, ce qui diminue son diamètre vertical apparent.

En revanche, la variation d'indice étant négligeable horizontalement, le diamètre horizontal apparent n'est pas modifié. Ainsi lors du coucher du soleil, l'épaisseur d'atmosphère traversée étant alors maximale, le phénomène peut devenir visible à l'œil nu, et on observe un soleil aplati sur l'horizon.