海市蜃樓為什麼看得到？
― 空氣溫差造成的光線小把戲
盛夏的大太陽下，看著遠處延伸的柏油路面，你是否見過像是有一攤水窪、搖曳閃動的光呢？走近一看，那攤「水」怎麼也追不到，總是在同樣遠的前方逃開。這就是所謂的海市蜃樓。空氣中到底發生了什麼事？
在炎熱的道路上，或是像沙漠般開闊的地方，地面附近的景色有時會搖搖晃晃，遠處也會出現像水面一樣的光帶。這條光帶其實不是水，而是天空的光「映在地面上被我們看見」。
為什麼在什麼都沒有的地方，會看到像水面一樣的反射呢？
強烈日照把地面烤熱後，緊貼其上的空氣也會變熱，比周圍的空氣更輕（密度更低）。
當密度隨位置連續變化時，光會一邊逐漸改變前進方向（折射）一邊前進。
接下來，我們依序看看「密度差異讓光彎曲」的原理。
熱地面附近，會形成比周圍更輕的空氣層
被強烈日照烤熱的地面，會加熱緊貼其上的空氣。受熱的空氣膨脹，相同體積的重量（密度）會比周圍空氣更小。這樣一來，只有在地面附近，才會形成一層比周圍更輕的薄空氣層。
在密度不同的空氣中，光的行進方向會一點一點改變
光通過密度不同的物質（或空氣）的交界時，行進方向會稍微彎曲。在像地面附近這種密度連續變化的空氣層中，光不是一次大幅轉彎，而是一點一點、平順地改變方向前進。從遠方天空斜斜射向地面的光，在接近這層熱空氣時，會逐漸向上彎曲。結果在觀察者眼中，就像是從地面附近傳來的光。
只是空氣的溫差像一片透鏡，把真實的天空之光送往意想不到的方向而已。
為什麼海市蜃樓總是看起來像「水」
我們的大腦看到地面或道路這類水平面附近傳來像天空般明亮的光，容易把它解讀成「水面的反射」。真正的水窪映出天空時，同樣是從水平面附近，有天空顏色的光進入眼睛。海市蜃樓所見的光，因為抵達方式與「水面反射」相似，所以大腦就把它誤認成水窪。
與地面附近熱空氣造成的海市蜃樓相反，當海面附近的空氣比上方空氣更冷、更重時，光同樣會被彎曲，出現另一種海市蜃樓。這時遠方的景色會浮現在比實際位置更高的地方，有時船或島嶼看起來像飄在半空中。
可以自己驗證的事
- 夏天晴朗的日子，從遠處安全的地方眺望變燙的柏油路或停車場
- 觀察靠近地面的景色，有沒有搖搖晃晃
- 找找看遠處的車子或景物下方，有沒有像水窪一樣發亮的光帶
- 在氣溫較低的時段，或從陰涼處看同一個地方，比較搖晃的差異
請小心中暑，從陰涼處或車內等安全的地方觀察。
總結
海市蜃樓是由熱地面附近、比周圍更輕的空氣層所造成。在密度隨位置變化的空氣中，來自遠方天空的光一點一點被彎曲後前進，就會看到彷彿映在水面上的景象。我們的大腦容易把水平面附近傳來的光解讀為「反射」，也被認為是造成水窪錯覺的原因之一。
路的前方那攤「水窪」並不是水，而是空氣本身造出的光線路徑錯覺。
「在前進速度緩慢變化的地方，波的路徑會彎曲」，這個相同的性質，也與鯨魚的叫聲能在海中傳得很遠的原理有關。詳情請見這篇文章。若是靠透鏡的形狀，把光更明確地彎折匯聚到一點的例子，則在放大鏡的文章中說明。
想知道更多 ― 用語、數值與課本的連結從國中理化到研究中的話題，明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「化學基礎」「物理基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中課本中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（大氣光學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者正在探究的話題
國中用語：與海市蜃樓有關的詞彙
- 折射：光在性質不同的物質交界處改變行進方向的現象。
- 密度：相同體積的重量。
- 下現蜃景：因地面附近的熱空氣，使景色在下方映現出來的海市蜃樓。
高中用算式驗證：由溫度求空氣的密度比
這裡先算出能算的部分。空氣的溫度與密度之間，有一個廣為人知的關係：「壓力固定時，氣體的體積與絕對溫度成正比」。我們用這個關係來計算密度比。
密度比 ＝ 較低的絕對溫度（K） ÷ 較高的絕對溫度（K）
| 絕對溫度 | 攝氏溫度加上 273 的值（單位：K，克耳文） |
| 密度比 | 303 ÷ 323 ≒ 0.94 |
| 結果 | 地面附近的熱空氣，密度約為稍高處空氣的 94%（約輕 6%） |
| 密度比 | 298 ÷ 333 ≒ 0.90 |
| 換算成百分比 | 0.90 × 100 ＝ 90 |
| 結果 | 地面附近的熱空氣，密度約為上方空氣的 90%（約輕 10%） |
可以看出，溫差越大，密度的差異也越大。這個密度差，被認為與光的折射程度有關。
高中＋為什麼再往後就無法用算式表示
到目前為止的計算，空氣密度的差異可以由確實的關係求出。但是，要正確算出這個密度差實際上讓光彎曲多少、走出什麼形狀的路徑，還需要把密度與光的折射難易度（折射率）連起來的更詳細的光學關係，以及隨離地高度時時變化的複雜溫度分布資料。風的強弱、地形、日照角度，也會讓這種溫度分布產生很大的變化。本文只做到能確定的「產生密度差」這一步，並未計算精確的彎曲情形。
大學大氣光學處理的複雜折射路徑
在大氣光學領域，有研究根據隨高度變化的溫度分布資料，用電腦模擬光走的路徑。地表附近的溫度變化越劇烈，越容易觀測到強烈的海市蜃樓。
研究目前還不明確的事
- 更準確地預測、觀測時時變化的地表附近溫度分布的技術，是大氣科學領域至今仍在研究的課題。
- 至於船或島嶼看起來偏離實際位置的複雜形狀海市蜃樓，其發生的詳細條件，也仍在從氣象光學的角度持續調查。
- 應用與海市蜃樓相同的光折射原理、以光學方式觀測大氣狀態的技術，也在研究推進中。
就連道路遠方那瞬間的景象，也藏著大氣科學與光學交會、至今仍在研究的豐富主題。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的對應處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・光的折射 | 折射、密度、下現蜃景的基本用語 |
| 高中 | 化學基礎・氣體的性質 | 絕對溫度與密度比的計算 |
| 高中＋ | 物理・光的折射（進階） | 整理為何無法用算式表示 |
| 大學 | 大氣光學 | 以溫度分布資料模擬光路 |
| 研究 | 大氣科學・氣象光學（研究中） | 溫度分布的預測技術、複雜海市蜃樓的發生條件 |
- 物理學相關教科書中，關於光的折射與密度關係的解說。
- 化學相關教科書中，關於氣體體積與絕對溫度關係（查理定律）的解說。
- 大氣光學領域中，關於海市蜃樓產生機制的研究回顧。
- 氣象學相關資料中，關於地表附近氣溫分布與光折射的解說。
- 視覺心理學相關資料中，關於反射光知覺的解說。
※ 溫度與密度的數值，是為了幫助理解原理的參考例子。實際的密度與光折射的關係，需要更詳細的光學資料，本文並未計算精確的折射角。
※本文為一般大眾的科學解說。在炎熱季節到戶外觀察時，請特別留意中暑，並在陰涼處或涼爽的地方適時休息。