porque o sol pode ser observado aproximadamente 2 minutos antes que ele realmente nasça no horizonte e por aproximadamente 2 minuto depois que se poe

Refração é devido a velocidade da luz é diferente de um meio para outro. Se na velocidade dos 2 médiuns a luz é a mesma, não há refração. Por exemplo, no vidro e na glicerina, a velocidade da luz é a mesma, então nenhuma refração acontece. Você pode ver esse vídeo em que o vidro desaparece magicamente na glicerina:

Isso porque não há mudança na direção da luz quando passamos da glicerina para o vidro e saímos do vidro para a glicerina. Então, o olho não pode ver o vidro porque a luz não muda sua direção. Miragens são devido a refração. O ar frio tem uma velocidade de luz diferente do ar quente. Em um deserto, areias quentes aquecem o ar perto do solo e na altura o ar é frio, então quando a luz passa muda sua direção em pequenos ângulos, polegada por polegada.

Isso ocorre devido ao fenômeno de refração da luz que ocorre na atmosfera, que serve como uma lente, que desvia os raios de luz provenientes do Sol e fazem parecer que ele já "nasceu".