Esso si verifica quando i raggi del Sole incontrano uno strato d'aria più calda rispetto agli strati sovrastanti dove l'aria più fredda è di densità maggiore. Così i raggi di luce subiscono una riflessione totale ed è possibile vedere le immagini come se fossero veramente riflesse al suolo.
MIRAGGIO INFERIORE
È il tipo di miraggio che viene osservato più di frequente. Ad esempio se ci troviamo nel deserto possiamo vedere il riflesso del cielo sul terreno sabbioso in lontananza e pensare erroneamente di scorgere un lago; ancora, se ci troviamo d'estate a percorrere una strada asfaltata, può capitare di vedere il riflesso delle macchine in lontananza sull'asfalto e si ha l'impressione che vi sia una pozzanghera che riflette gli oggetti sufficientemente distanti. Questo fenomeno ottico si spiega in maniera relativamente semplice con i principi dell'ottica ed in particolare con quelli della rifrazione. Si ha un miraggio inferiore se gli strati di aria più prossimi al suolo sono molto più caldi (e quindi meno densi) rispetto agli strati superiori. In tal caso si ha che l'indice di rifrazione dell'aria calda è minore di quello dell'aria fredda e perciò se consideriamo un raggio proveniente da oggetti relativamente lontani (che quindi formano un angolo con l'orizzontale inferiore all'angolo critico) questo raggio viene riflesso totalmente verso l'osservatore che può quindi osservare una immagine capovolta e posizionata al di sotto dell'oggetto originale dando l'effetto che vi sia una pozzanghera che consente all'oggetto di specchiarsi.
MIRAGGIO SUPERIORE
Miraggi più spettacolari sono quelli superiori, prodotti da una inversione di temperatura all'altezza degli occhi dell'osservatore. In questo caso l'immagine appare riflessa superiormente. È possibile vedere oasi che in realtà si trovano oltre l'orizzonte, così come navi capovolte in lontananza. In questo caso gli strati d'aria a contatto col suolo devono essere molto più freddi di quelli al di sopra degli occhi dell'osservatore. Se ciò si verifica si ha una riflessione totale dovuta alla rifrazione dei raggi degli oggetti distanti che, passando da un mezzo di trasmissione freddo (maggiore indice di rifrazione) a uno più caldo (minore indice di rifrazione) possono soddisfare la condizione di riflessione totale. L'osservatore a questo punto può vedere riflessi in cielo oggetti molto lontani o addirittura ancora al di là della linea dell'orizzonte.
FATA MORGANA
Questo fenomeno ottico si verifica quando i raggi di luce sono fortemente incurvati dal passaggio attraverso strati d'aria a temperature diverse, in condizioni di inversione termica, in cui la transizione tra gli strati è caratterizzata da un brusco gradiente termico, con la formazione di un condotto atmosferico.
Infatti, in condizioni di tempo sereno, può capitare che uno strato d'aria molto più calda sovrasti uno strato di aria più fredda: in questo caso, la differenza tra gli indici di rifrazione può dar luogo alla formazione di un condotto atmosferico che agisce come una lente di rifrazione, producendo una serie di immagini sia dritte che invertite.
Perché si verifichi il fenomeno della Fata Morgana non è sufficiente l'esistenza dell'inversione termica, ma è richiesta anche la simultanea formazione di un condotto atmosferico, e questo dà conto della relativa eccezionalità del fenomeno ottico. Si tratta dunque di un effetto dovuto alla particolare distribuzione dell'indice di rifrazione della luce del sole in diversi strati d'aria e quindi per certi versi analogo al miraggio.
La differenza consiste nel fatto che fino ad una certa altezza l'indice di rifrazione assume un valore crescente con essa per poi tornare a diminuire, per questo a differenza del miraggio le immagini sono molto mutevoli e deformate, difficilmente riconoscibili. Per spiegare tale fenomeno è sufficiente immaginare che la luce proveniente da un punto viene distribuita in verticale, gli oggetti in lontananza assumono le sembianze di torri, pinnacoli, obelischi.
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