海市蜃楼是由于海水的热容量很大，在强烈的阳光照耀下，水温也不容易升高。这时，海面上的空气层出现了上暖下冷的现象，使得空气的密度上层小下层大。在无风的天气里，这样的空气层保持着相对的稳定。
如果海边有一位观察者，海中A处有一个小岛。
由A发出的光从密度大的空气下层（光密介质）向上射，由于空气的密度逐渐变小，所以光会逐渐偏离法线方向（即折射角逐渐增大），沿着一条曲线AC前进。光线到达C点时，由于人射角恰好大于临界角，发生了全反射。光从C点折回后，则从密度小的空气上层进入密度大的空气下层，光线会逐渐靠近法线方向，沿曲线CO，进入观察者的眼睛。
而观察者见到的小岛的像是沿着曲线OC在0点的切线方向，显然小岛的像A'比小岛A的位置抬高了许多，所以这种幻景也称为上现蜃景。
除了在海边看到的上现蜃景之外，还有一种下现蜃景，这要在沙漠中才能见到呢。
由于沙漠地区很干燥。在强烈的阳光下很容易升温。而空气不擅导热，这就使得下层的空气因靠近地面温度较高，离地几米高的空气层温度就要低得多、这样，空气层的密度是上面大下面小。如果在观察者前方较远的A处有一株树，A处的树向下投射的光线进入下层空气时，因那里的空气密度较小，折射光线会逐渐偏离法线方向，并在C处入射角超过了临界角，发生了全反射。
全反射后的光线再逐渐向靠近法线方向偏折，最后进入观察者的眼中。从图中可以看出，观察者见到的树的像A'要比树的实际位置低得多，所以这种沙漠幻景也称为下现蜃景。在下现蜃景中看到的是倒像。
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