當光線在同一密度的均勻介質內進行的時候，光的速度不變，它以直線的方向前進，可是當光線傾斜地由這一介質進入另一密度不同的介質時，光的速度就會發生改變，進行的方向也發生曲折，這種現象叫做折射。當你用一根直杆傾斜地插入水中時，可以看到杆在水下部分與它露在水上的部分好像折斷的一般，這就是光線折射所成的，有人曾利用像左邊上面那個圖所示的裝置，使光線從水裡投射到水和空氣的交介面上，就可以看到光線在這個交介面上分兩部分：一部分反射到水裡，一部分折射到空氣中去。
如果轉動水中的那面鏡子，使投向交介面的光線更傾斜一些，那麼光線在空氣中的折射現象就會顯得更厲害些。當投向交介面的光線如左下圖所示的情況時，光線就全部反射到水裡，再沒有折射到空氣中去的光線了。這樣的現象叫做全反射。
空氣本身並不是乙個均勻的介質，在一般情況下，它的密度是隨記度的增大而遞減的，高度越高，密度越小。當光線穿過不同高度的空氣層時，總會引起一些折射，但這種折射現象在我們日常生活中已經習慣了，所以不覺得有什麼異樣。
可是當空氣溫度在垂直變化的反常，並會導致與通常不同的折射和全反射，這就會產生海市蜃樓的現象。由於空氣密度反常的具體情況不同，海市蜃樓出現的型式也不同。
在夏季，白晝海水濕度比較低，特別是有冷水流經過的海面，水溫更低，下層空氣受水溫更低，下層空氣受水溫影響，較上層空氣為冷，出現下冷上曖的反常現象（正常情況是下暖上涼，平均每隔100公尺高度，氣溫降低0.5~0.6左右）。
下層空氣本來就因氣壓較高，密度較大，現在再加上氣溫又較上層為低，密度就顯得特別大，因此空氣層下密上稀的差別異常顯著。
假使在我們的東方地平線下有一艘輪船，一般情況下是看不到它的。如果由於這時空氣下密上稀的差異太大了，來自船舶的光線先由密度的氣層逐漸折射進入稀的氣層，並在上層發生全反射，又折回到下層密的氣層中來；經過這樣彎曲的線路，最後投入我們的眼中，我們就能看到它的像。由於人的視覺總是感到物像是來自直線方向的，因此我們所看到的輪船映像比實物是抬高了許多，所以叫做上現蜃景。
我國渤海中有個廟島群島，在夏季，白晝海水溫度較低，空氣密度會出現顯著地下密上稀的差異，在渤海南岸的蓬萊縣（古時又叫登州），常可看到廟島群島的幻影。宋朝時候的沈括，在他的名著《夢溪筆談》裡就有這樣的記載：「登州海中時有雲氣，如宮室台觀，城堞人物，車馬冠蓋，歷歷可睹。
」這就是他在蓬萊所看到的上現蜃景。2023年5月22日上午11點多鐘，青島前海（膠州灣外口）竹岔島上也曾發現過上現蜃景，一時轟傳全市，很多人前往**。2023年在廣東省附近的海面上，曾出現一次延續6小時的上現蜃景。
不但夏季在海面上可以看到上現蜃景，在江面有晨也可看到，例如2023年8月2日在南通附近的江面上就現過。那天酷日當空，天氣特別熱，午後，突然發現長江上空映現出樓台城廓和樹木房屋，全部蜃景長20多里。約半小時後，向東移動，突然消逝。
後又出現三山，高聳入雲，中間一山，很像香爐；又隔了半小時，才全部消失。
在沙漠裡，白天沙石被太陽曬得灼熱，接近沙層的氣溫公升高極快。由於空氣不善於傳熱，所以在無風的時候，空氣上下層間的熱量交換極小，遂使下熱上冷的氣溫垂直差異非常顯著，並導致下層空氣密度反而比上層小的反常現象。在這種情況下，如果前方有一棵樹，它生長在比較濕潤的一塊地方，這時，由樹梢傾斜向下投射的光線，因為是由密度大的空氣層進入密度小的空氣層，會發生折射。
折射光線到了貼近地面熱而稀的空氣層時，就發生全反射，光線又由近地面密度小的氣層反射回到上面較密的氣層中來。這樣，經過一條向下凹陷的彎曲光線，把樹的影像送到人的眼中，就出現了一棵樹的倒影。
海市蜃樓形成的原因
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