地球大气层像一个倒置的大三棱镜，对天体不同波长的辐射折射率不同，形成色散效应。当大气天文视宁度良好时，用大望远镜可以观察到星像由于色散而形成一条竖直的小光谱，其紫端靠近天顶。谱带的长度随天体天顶距的增加而增大，即天体越低，色散效应越大。当天体天顶距为60度时，谱带的红紫二端天顶距相差约3角秒。

大气色散是许多天文实测工作中应予注意的问题。例如，在天体测量精确的定位工作中，必须考虑大气色散对不同光谱型恒星之间相对位置的影响。在从事天体的光电测光时，大气色散会使恒星谱的紫和红端部分偏离光阑中心，因而产生测光误差。在恒星的照相测光中，大气色散会降低所观测星像的分辨率，采用短焦相机会减小其影响。用有缝恒星摄谱仪拍摄恒星光谱时，如果狭缝小于大气色散后的星像，会使恒星光谱能量分布失真。大气色散的影响可以通过光学补偿法进行校正，例如，在天文望远镜光路中附加一块胶合的透棱镜，使它的色散作用和大气色散效应互相抵消。