Refrakcja atmosferyczna to zjawisko, w którym promienie świetlne uginają się w atmosferze ziemskiej.

Aby obserwować obiekty, światło musi przejść z nich do obserwatora. Droga światła ulega jednak zakrzywieniu w atmosferze Ziemi, która nie jest jednorodna, składa się bowiem z powietrza o różnych właściwościach, takich jak temperatura i ciśnienie.

Zmiana kierunku biegu promienia światła zachodzi na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania.  W przypadku atmosfery Ziemi, zmiany właściwości powietrza są płynne, co powoduje stopniowe i łagodne zakrzywienie na dużym dystansie.

Refrakcja atmosferyczna jest wynikiem zróżnicowanej gęstości powietrza, zwłaszcza spadku ciśnienia atmosferycznego ze wzrostem wysokości, oraz pionowego gradientu temperatury, czyli tempa zmiany temperatury z wysokością.

Współczynnik refrakcji jest miarą refrakcji atmosferycznej i definiowany jest jako stosunek promienia krzywizny Ziemi do promienia krzywizny toru światła.

Jakie czynniki wpływają na wielkość refrakcji?

W standardowych warunkach przyjmuje się, że współczynnik refrakcji wynosi 0,13 lub 0,14. Największy wpływ na wartość współczynnika refrakcji ma pionowy gradient temperatury, czyli tempo zmiany temperatury powietrza wraz z wysokością. Gradient temperatury zwykle wynosi około 0,65 °C/100 m podczas wznoszenia powietrza z parą wodną oraz około 1 °C/100 m w suchym powietrzu bez kondensacji. Jednak rozkład temperatury w zależności od wysokości może ulegać zmianie, na przykład podczas inwersji temperatury, gdy powietrze staje się cieplejsze wraz ze wzrostem wysokości.

W dalekich obserwacjach można spotkać kilka typów inwersji, takich jak inwersja osiadania, inwersja radiacyjna i inwersja adwekcyjna.

Inwersja osiadania występuje w wyżu barycznym, gdzie zstępujące powietrze ogrzewa się adiabatycznie, stając się cieplejsze niż powietrze poniżej.

Inwersja radiacyjna powstaje, gdy ciepło jest wypromieniowywane z gruntu podczas bezchmurnej i bezwietrznej pogody, powodując szybsze ochładzanie się powietrza na poziomie gruntu niż powietrza znajdującego się wyżej.

Inwersja adwekcyjna pojawia się, gdy cieplejsze powietrze napływa nad chłodniejsze podłoże, i dotyczy również powietrza przygruntowego.

Wartość temperatury powietrza również wpływa na refrakcję, ponieważ w chłodniejszym powietrzu refrakcja jest silniejsza. Wpływ ciśnienia atmosferycznego na zmienność refrakcji w danym miejscu jest stosunkowo niewielki, ale jest ważnym czynnikiem, jeśli rozpatrujemy refrakcję na dużych wysokościach, ponieważ ze wzrostem wysokości maleje ciśnienie, a tym samym zmniejsza się współczynnik refrakcji.

Typowe wartości refrakcji w polskim klimacie są wyższe niż uznawane za średnie 0,13-0,14. Przy pionowym gradiencie temperatury 1 °C/100 m (wartości typowej dla suchego powietrza) i ciśnieniu 1013 hPa, wartość 0,13 występuje dopiero przy temperaturze 35 °C. Z tego wynika, że zazwyczaj mamy do czynienia z wartościami w okolicach 0,15. Na dużych wysokościach n.p.m. wartość współczynnika refrakcji maleje.

W związku z nieregularną strukturą atmosfery, refrakcja ma zróżnicowane natężenie wzdłuż linii obserwacji. Przebieg światła nie tworzy więc pojedynczego okręgu, ale ma bardziej skomplikowany kształt. Na podstawie obserwacji wizualnej lub fotografii trudno jest określić dokładny rozkład współczynnika refrakcji wzdłuż linii widzenia. Można jednak ustalić efektywną, uśrednioną wartość, która dałaby taki sam efekt, gdyby była stała na całym dystansie obserwacji.