大気の屈折率 n は、1気圧で n=1.00028 程度で真空中の 1 とは異なるため、天体からの光は地球大気により屈折する。その結果、天頂方向にある天体以外は見かけの方向と実際の方向が異なり、地平線に近い天体ほど実際の方向よりも天頂方向にずれた方向に浮き上って見える。このずれを大気差と呼ぶ。天頂からの角度（天頂距離）を z として、大気が平行平面板状とみなせる z < 60° の範囲では大気差は tan z にほぼ比例し、1気圧の地表では z = 45° で約1'であるが、z = 90°（視高度 0°）では 34'24'' にもなる。高地では気圧に比例して大気差は小さくなる。大気分散も参照。