大自然是变幻无穷的。夏日里在平静的海面上，有时竟会耸起楼台亭阁，繁华闹市，甚至会见到仿佛在空中航行的船舶。沙漠中，也会出现这类情形。这就是人们常说的海市蜃楼景象。
世界上最著名的一处海市蜃楼发生在意大利墨西那海峡对面的西西里岛。墨西那市映射在天空中，神奇的城堡飘浮在天上。意大利人称它为法达·摩根，因为传说中摩根是引起海市蜃楼的魔女。
我国山东省蓬莱市蓬莱阁对面的海域，1988年6月17日出现了罕见的海市蜃楼奇观。从蓬莱阁向北望去，在长达50多千米的海面上耸立着从未见过的岛屿，岛上有清晰可见的高楼大厦，冒着烟的烟囱。种种奇观，历时约5小时，就像神话世界一般。有幸的是人们第一次拍摄到了海市蜃楼的实况，电视台不止一次地播放，使更多的人欣赏到这一奇特的自然景观。
海市蜃楼是在特殊的气象条件下，光线通过折射率不均匀的大气层引起的光学现象。我们知道，光在均匀介质中沿直线传播，远处望去，只能见到地平线以上的景物。但光在非均匀大气层中传播，光线就会发生弯曲。如图4－12所示，大气由一层层折射率不等的介质密接组成，（每一层的厚度趋于零，层数趋于无限大）。如果空气层的折射率从下向上由大到小连续变化，即
n1＞n2＞n3……＞nm……
根据光的折射定律有
n1sinθ1＝n2sinθ2＝n3sinθ3＝……＝nmsinθm……
则有
θ1＜θ2＜θ3……θm……
折射角越来越大，光线就会逐渐偏离法线方向而弯曲。在折射率连续变化的极限情况下，折射光线就变成了一条连续曲线。反过来，如果从下至上折射率是由小到大连续变化的，则折射角越来越小，光线就会逐渐靠近法线而弯曲。
在某种特殊气象条件的海面上，大气上层由于日晒不断增温，而下层则由于水的蒸发吸热作用，温度不断下降，出现接近海面的大气层温度上高下低连续变化的温度梯度。又由于温度越低大气密度越大，折射率亦越大。放在海面上形成了上小下大连续变化的折射率梯度，如图1所示，如果在远处有座楼阁，平常看不见。在上述气象条件下，从楼顶点发出的光线，以某一角度向上射入空中。由于大气折射率从下到上逐渐减小，光线不断折射，折射角逐渐增大，光线将越来越偏离法线而向着地面方向“弯曲”。当到达某一气层时，满足全反射条件，光线就会发生全反射，而转向地面传播。在反射光线的传播方向上，由于大气的折射率从上到下逐渐增加，所以光线越来越靠近法线，从而继续弯向地面。到达观察者的眼睛。由于人眼习惯了光的直线传播，所以观察者觉得光线似乎是从空中射来的。其他各点也是如此，这样就看到了空中的楼阁。
在沙漠中会出现相反的情况，在烈日照射下，地面的温度很快升高，近地大气层的温度上低下高，大气密度变得上大下小，折射率亦上大下小，形成了上大下小连续变化的折射率梯度。这时如果远处有座宝塔，如图2所示，塔顶发出的光线射向地面，光线不断折射，折射角逐渐增大，光线越来越偏离法线而向上弯曲。当光线射到靠近地面的某一气层时，满足全反射条件，发生全反射。到达观察者的眼睛。观察者则觉得光线是从下面发出的。这时，在观察者看来，前面好像有一片水面，倒映着岸边的景物。
不仅在海边和沙漠中能看到蜃景，夏天，在公路上有时也会发现前面仿佛有一层水似的，倒映出周围的景物。这是因为在烈日下靠近路面的空气比上面的空气热一些，密度小一些，光线发生折射造成的，这与沙漠中的蜃景属同一种现象。