Ocurre un espejismo cuando la diferencia de densidad del aire causada por temperaturas extremadamente altas hace que los fotones viajen en una trayectoria que no sea una línea recta. El aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo que si hay una gradiente de temperatura significativo, la luz reflejada de un objeto puede ser refractada. Esto puede distorsionar la imagen.
Uno de los tipos más comunes de espejismo es el espejismo inferior, en el cual cambia la apariencia de los objetos en el suelo. Estos ocurren durante los períodos de clima intensamente caluroso, cuando la energía del sol calienta el suelo a una temperatura que es significativamente más caliente que el aire que está sobre él. Esto hace que la luz reflejada de los objetos se mueva hacia abajo, proyectando imágenes hacia y sobre el suelo. Por ejemplo, los espejismos de agua en el desierto ocurren cuando el cielo azul se refracta a través del aire caliente y parece ser parte del suelo. La neblina de calor en y sobre el asfalto es otro ejemplo de un espejismo inferior.
Los espejismos superiores ocurren cuando el suelo es mucho más frío que el aire que está sobre él. En estos espejismos, los objetos parecen flotar en el aire por encima de su posición real. Un espejismo de Fata Morgana combina espejismos inferiores y superiores cuando las condiciones del aire son inestables y pueden hacer que las imágenes de objetos lejanos bailen y se distorsionen.
