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(fā)生改變,進行的方向也發(fā)生曲折,這種現象叫做折射.當你用一根直桿傾斜地插入水中時,可以看到桿在水下部分與它露在水上的部分好象折斷的一般,這就是光線折射所成的,有人曾利用裝置,使光線從水里投射到水和空氣的交界面上,就可以看到光線在這個交界面上分兩部分：一部分反射到水里,一部分折射到空氣中去.如果轉動水中的那面鏡子,使投向交界面的光線更傾斜一些,那么光線在空氣中的折射現象就會顯得更厲害些.當投向交界面的光線如左下圖所示的情況時,光線就全部反射到水里,再沒有折射到空氣中去的光線了.這樣的現象叫做全反射.
空氣本身并不是一個均勻的介質,在一般情況下,它的密度是隨高度的增大而遞減的,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,所以不覺得有什么異樣.
可是當空氣溫度在垂直變化的反常,并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.由于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（正常情況是下曖上涼,平均每隔100米高度,氣溫降低0.0.6 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.如果由于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,并在上層發(fā)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,最后投入我們的眼中,我們就能看到它的像.由于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）,?？煽吹綇R島群島的幻影.宋朝時候的沈括,在他的名蓍《夢溪筆談》里就有這樣的記載：
“登州海中時有云氣,如宮室臺觀,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.1933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(fā)現過上現蜃景,一時轟傳全市,很多人前往觀看.1975年在廣東省附近的海面上,曾出現一次延續(xù)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1934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,午后,突然發(fā)現長江上空映現出樓臺城廓和樹木房屋,全部蜃景長20多里.約半小時后,向東移動,突然消逝.后又出現三山,高聳入云,中間一山,很象香爐；又隔了半小時,才全部消失.
在沙漠里,白天沙石被太陽曬得灼熱,接近沙層的氣溫升高極快.由于空氣不善于傳熱,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,并導致下層空氣密度反而比上層小的反?，F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(fā)生折射.折射光線到了貼近地面熱而稀的空氣層時,就發(fā)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.
由于倒影位于實物的下面,所以又叫下現蜃景.這種倒影很容易給予人們以水邊樹影的幻覺,以為遠處一定是一個湖.凡是曾在沙漠旅行過的人,大都有類似的經歷.拍攝影片《登上希夏邦馬峰》的一位攝影師,行走在一片廣闊的干枯草原上時,也曾看見這樣一個下現蜃景,他朝蜃景的方向跑去,想汲水煮飯.等他跑到那里一看,什么水源也沒有,才發(fā)現是上了蜃景的當.這是因為干枯的草和沙子一樣,可以被烈日曬得熱浪滾滾,使空氣層的密度從下至上逐漸增大,因而產生下現蜃景.
無論哪一種海市蜃樓,只能在無風或風力極微弱的天氣條件下出現.當大風一起,引起了上下層空氣的攪動混合,上下層空氣密度的差異減小了,光線沒有什么異常折射和全反射,那么所有的幻景就立刻消逝了.