气象学告诉我们，空气的密度的大小主要受气压和气温两个条件的影响。气压指得是单位面积空气柱的重量。大气层包围在地球表面，因此在大气层的低层气压较高，越向上气压越低。气压高则空气密度大，气压低则空气密度小。因此，正常情况下，总是贴近地面的空气密度最大，越向上空气密度越小。温度对空气密度的影响和气压则刚好相反。气温越高，空气的体积越膨胀，空气的密度越小；温度越低，空气收缩，则空气的密度变大。一般越接近地面温度越高（逆温层是个例外）。根据实测所得，在大多数情况下，温度的上下差别不是太大，而气压上下的差别却很显著，因此气压对空气密度的垂直分布所产生的影响远比气温的影响大，这就使得空气密度经常是越向上越小的（当然减小的情况并不是一成不变的）。
由于地球上空气的密度随高度的变化，折射率随密度减小而正比例地减小，因此光在大气中传播时，通过一层层密度不同的大气，在各层的分界面处会发生折射，使光线不沿直线传播而是变弯曲，这样当太阳和其他星体的光线进入大气以后，光线就会拐弯，这种现象称天文折射，这使在地面观测得的天体视位置S'比实际位置S高。
来自大气某目标物发出的光线，在向接收器传播途中发生屈折的现象称地球折射。
当大气中温度的垂直分布出现异常时，就会引起空气密度垂直变化异常因而产生异常折射。如果下层空气比上层空气冷，也就是出现了强烈的温度逆增时，光线在这种气温随高度升高因而使空气密度随高度锐减的气层中传播，会向下屈折；而光线在气温随高度而降低的气层内传播，会向上屈折。实际大气温度的垂直分布复杂多变，因而会产生丰富多彩的大气光象。