Grund für die manchmal etwas länger dauernden Sonnenuntergänge ist die Brechung des Lichts beim Übergang zwischen Medien unterschiedlicher optischer Dichte: die astronomische Refraktion. Die Sonnenstrahlen bewegen sich durch das Vakuum des Weltalls und treffen in der Nähe der Erde auf unsere Atmosphäre. Diese ist gefüllt mit Luft und unterschiedlichen Teilchen, welche eine höhere optische Dichte erzeugen und das Licht in Richtung der Erdoberfläche brechen.
Geht die Sonne nun unter, werden die sich linear ausbreitenden Sonnenstrahlen durch die Atmosphäre zur Erde bzw. zum Beobachter hin gebrochen und man sieht sie länger, als man es ohne Atmosphäre tun wurde. Obwohl die Sonne geometrisch schon unter dem Beobachterhorizont steht, erscheint es durch die Lichtbrechung so, als wäre sie noch am Horizont. Wäre die Erde von einem Vakuum umgeben, würden die Sonnenstrahlen einfach an der Erde vorbei laufen und die Sonne wäre schneller nicht mehr sichtbar.
Je kälter es ist und je höher der Luftdruck, umso höher ist die optische Dichte der atmosphärischen Luft und damit auch die Brechung. In sehr warmer Luft und bei tieferem Luftdruck geht die Sonne also schneller unter, als bei kaltem Hochdruckwetter. Um die Refraktion und damit den Zeitunterschied zwischen tatsächlichem Sonnenuntergang und sichtbarem Sonnenuntergang zu berechnen, muss man viele Näherungen annehmen. Für die alltägliche Berechnung geht man bei den meteorologischen Bedingungen von einer Standardatmosphäre aus, die stabil und vertikal gleichmäßig geschichtet ist. Am größten ist die Brechung bei horizontal einfallenden Lichtstrahlen, also bei Auf- oder Untergang der Sonne oder anderer Gestirne. Am geringsten bzw. praktisch Null ist die Brechung bei senkrechtem Auftreffen der Lichtstrahlen auf die Erdatmosphäre und den Beobachter.
Auch das nächtliche Sternenbild unterliegt der astronomischen Refraktion. Sie lässt die Sterne viel weiter weg erscheinen, also sie es tatsächlich sind. Lediglich die sich direkt über dem Beobachter befindlichen Sterne haben den "richtigen" Abstand zur Erde, da sie senkrecht, also im Lot, auf den Beobachter treffen.
An einem 18. August geht die Sonne auf Borkum gegen 20:54 Uhr MESZ, im Raum Berlin gegen 20:22 Uhr MESZ, in Frankfurt am Main gegen 20:38 Uhr MESZ und in Konstanz am Bodensee gegen 20:20 Uhr MESZ unter.