Рис. 1

Для объ­яс­не­ния мно­гих ин­те­рес­ных оп­ти­че­ских эф­фек­тов, на­блю­да­е­мых в ат­мо­сфе­ре, не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать такое яв­ле­ние, как ре­фрак­ция света. Под этим тер­ми­ном по­ни­ма­ют ис­крив­ле­ние све­то­вых лучей при про­хож­де­нии в ат­мо­сфе­ре, вы­зван­ное оп­ти­че­ской не­од­но­род­но­стью ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха. При­чи­на этого кро­ет­ся в из­ме­не­ни­ях плот­но­сти воз­ду­ха (а зна­чит, и по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния) в за­ви­си­мо­сти от вы­со­ты или при на­гре­ва­нии или охла­жде­нии. По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния среды опре­де­ля­ет­ся фор­му­лой где c  — ско­рость света в ва­ку­у­ме, а v  — ско­рость света в дан­ной среде. Ско­рость света v в среде все­гда мень­ше ско­ро­сти c и за­ви­сит, в част­но­сти, от плот­но­сти среды. Чем плот­нее воз­дух, тем мень­ше v и, зна­чит, тем боль­ше по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха. Плот­ность воз­ду­ха по­ни­жа­ет­ся при пе­ре­хо­де от ниж­них слоев ат­мо­сфе­ры к верх­ним. Умень­ша­ет­ся она также при ло­каль­ном на­гре­ва­нии и даже за­ви­сит от ветра.

При ре­фрак­ции света в ат­мо­сфе­ре на­блю­да­тель видит объ­ект не в том на­прав­ле­нии, какое со­от­вет­ству­ет дей­стви­тель­но­сти; объ­ект может пред­став­лять­ся ис­ка­жен­ным, на­при­мер, диск за­хо­дя­ще­го солн­ца, на­хо­дя­ще­го­ся у самой линии го­ри­зон­та, ка­жет­ся сплюс­ну­тым по вер­ти­ка­ли. Осо­бен­но впе­чат­ля­ют яв­ле­ния, по­лу­чив­шие на­зва­ние ми­ра­жей. Раз­ли­ча­ют верх­ние и ниж­ние («озер­ные») ми­ра­жи.

Ниж­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но на­гре­той по­верх­но­стью, на­при­мер, в зной­ной пу­сты­не или над ас­фаль­то­вой до­ро­гой в жар­кий день. В пу­сты­не не­по­сред­ствен­но над го­ря­чим пес­ком воз­дух так силь­но на­грет, что его плот­ность и, со­от­вет­ствен­но, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния мень­ше, чем в более вы­со­ких воз­душ­ных слоях. На ри­сун­ке 1 по­ка­за­но из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха n c вы­со­той h для пу­сты­ни в днев­ное время суток.

Бла­го­да­ря не­од­но­род­но­сти по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха c луч света ис­крив­ля­ет­ся так, как по­ка­за­но на ри­сун­ке 2. По­это­му, когда луч по­па­да­ет в глаз на­блю­да­те­ля, то ему ка­жет­ся, что он ис­хо­дит из точки A', а не из точки A.

Рис. 2

Таким об­ра­зом, если на го­ри­зон­те на­хо­дят­ся паль­мы или дру­гие объ­ек­ты, то на­блю­да­тель видит их пе­ре­вер­ну­ты­ми и вос­при­ни­ма­ет как от­ра­же­ния в не­су­ще­ству­ю­щих озе­рах. Вода в этих «озе­рах»  — от­ра­же­ние го­лу­бо­го не­бо­сво­да. На­блю­да­те­лю ка­жет­ся, что оазис с паль­ма­ми на­хо­дит­ся на рас­сто­я­нии один-два ки­ло­мет­ра. Но по мере про­дви­же­ния впе­ред «озеро» все так же на­хо­дит­ся где-то впе­ре­ди, а во­круг по-преж­не­му одни пески. На­блю­дать ниж­ний мираж можно не толь­ко в пу­сты­нях, но и в наших ши­ро­тах. На­при­мер, при по­езд­ке на ав­то­мо­би­ле в жар­кий лет­ний день на ас­фаль­то­вой до­ро­ге, когда она силь­но на­гре­та солн­цем, можно уви­деть лужи воды впе­ре­ди ав­то­мо­би­ля, хотя до­ро­га сухая. По мере того как ав­то­мо­биль дви­жет­ся по до­ро­ге впе­ред, «лужи» от­сту­па­ют все даль­ше и даль­ше, оста­ва­ясь не­до­ся­га­е­мы­ми.