由於地球表面和大氣層都是彎曲的，接近地平線的太陽的光線穿過太氣層時，其距離遠大於高層，所以進入底層的光線迅速衰減，再加上太陽深入地平線後所造成的地球影子，就呈現出天空中藍灰色的暗弧；而高層大氣密度小，光散射弱，就產生了暗弧上的亮弧。這種奇妙的大氣光學現象隨著太陽的下落而升向天頂，隨著黑暗的降臨而消失。至於美麗的紫光，是因為肉眼的疊合效應，使通過大氣塵埃的紅色光與高層大氣中較純空氣的藍色散射光中合而產生的。
太陽變扁的幻覺，不只出現在日落，太陽跳出地平線時也是如此。這是由於光通過空氣時，速度每秒減慢87千米，因而光線折射也隨之發生變化，所以，當落日下緣接觸地平線時，折射使落日的高度和寬度之比為16.5：32，觀賞者眼睛裏的太陽自然就是扁的。
最令人迷惑的幻覺，是日落時的太陽看上去要比高掛天空時大兩倍半到三倍半，就像壹個巨大的玉盤遠掛天邊。但實際上，在大氣層，天文學家用各種儀器，包括用照相機拍照，已經證明黃昏的太陽與中午的太陽大小是壹樣的。
落日為什麽是扁的呢？這是光的折射現象在搗鬼。
不少人都有這樣的經驗：把筷子插入壹只盛水的杯子裏，看起來筷子是折成兩段的。這就是光的折射現象。光在密度大的物質中跑得慢，在密度小的物質中跑得快。水的密度比空氣大，於是，光在水和空氣的界面上速度突然改變，造成光線曲折。
那麽在空中光線會不會曲折呢？也會。原來空氣的密度也不是均勻的。由於地心引力的關系，地球表面大氣密度大，越往高處空氣越稀薄，密度越小。這種密度的差別並不大，通常察覺不到曲線由此產生的曲折。但是，太陽落山時，陽光斜著通過大氣，距離很遠，產生的折射已經可以使人明顯地感覺到。這種折射越貼近地面越強。落日的上端和下端光線曲折得不壹樣，看起來就成扁的了。
在沙漠上或海面上，因為溫度變化造成局部空氣密度變化，也會使光線曲折。這樣，人們有時就能看到平常看不到的遠處景象，這就是所謂海市蜃樓。夏日炎炎之時，海水溫度低於空氣溫度，貼近海面的空氣密度大。因此，處於地平線下的景物發出的光線成拱形傳播，向下折到我們眼中，看起來景物懸在空中，像是仙山瓊閣。我國渤海中的蓬萊仙境就是這樣形成的。沙漠裏的情況則相反，沙石吸熱，溫度比大氣高，甚至放進壹枚雞蛋也能煮熟。這樣，沙石附近空氣密度特別低，使遠處樹木發出的光線彎曲的，自下而上折入我們的眼睛，並且形成倒影。這使在荒漠上備受幹渴之苦的駝隊覺得臨近大湖，遇到綠洲了。然而終於是可望而不可即的幻影。千百年來的這些海市蜃樓，曾引起人們多少美好的想象！