海市蜃楼是光线在大气密度不均的层次中发生折射，形成的虚像。最常见的有“下现蜃楼”和“上现蜃楼”。下现蜃楼多发生在夏日柏油路面或沙漠。地面被晒得炽热，使得近地面的空气温度高、密度小，而上层空气较冷、密度大。光线从密度大的上层（如天空）斜射入近地面密度小的空气时，会发生全反射，将远处的天空景象“投射”到地上，看起来像一汪水潭。上现蜃楼则出现在寒冷海面或极地，空气层上暖下冷，光线向上弯曲，将地平线以下的船只或冰山等景象“抬升”到空中，看起来像悬浮的仙山楼阁。这些现象都是大气物理状态的精确指示。
