就拿下蜃的形成来说。夏季沙漠中烈日当头，沙土被晒得灼热，因沙土的比热小，温度上升极快，沙土附近的下层空气温度上升得很高，而上层空气的温度仍然很低，这样就形成了气温的反常分布，由于热胀冷缩，接近沙土的下层热空气密度小而上层冷空气的密度大，这样空气的折射率是下层小而上层大。当远处较高物体反射出来的光，从上层较密空气进入下层较疏空气时被不断折射，其入射角逐渐增大，增大到等于临界角时发生全反射，这时，人要是逆着反射光线看去，就会看到下蜃。
柏油马路因路面颜色深，夏天在灼热阳光下吸收能力强，同样会在路面上空形成上层的空气冷、密度大，而下层空气热、密度小的分布特征，所以也会形成下蜃。
发生在沙漠里的“海市蜃楼”，就是太阳光遇到了不同密度的空气而出现的折射现象。沙漠里，白天沙石受太阳炙烤，沙层表面的气温迅速升高。由于空气传热性能差，在无风时，沙漠上空的垂直气温差异非常显着，下热上冷，上层空气密度高，下层空气密度低。当太阳光从密度高的空气层进入密度低的空气层时，光的角度发生了改变，经过光的折射，便将远处的绿洲呈现于人们眼前了。在海面或江面上有时也会出现这种“海市蜃楼”的现象。
海市蜃楼是一种因远处物体被折射而形成的幻象，其产生原因是太阳使地面温度上升后形成的一种气温梯度。由于密度不同，光线会在气温梯度分界处产生折射现象。我们的大脑认为光线总是沿直线传播，但是当光线通过下方温度低、密度大的大气时，就会向下折射，所以大脑中显现的远处物体就会比实际高。
海市蜃楼经常发生在海上和沙漠中。因为海上一定范围之内的空间空气湿度较大，厚度也比较大，这样大面积的水蒸汽在运动下阴差阳错地形成了一个巨大的透镜系统。当近地面的气温剧烈变化时，则会引起大气密度的巨大差异，远方的景物，在光线传播时则会发生异常折射和全反射，从而造成蜃景。另外，海市蜃楼的发生还与不同高度空气层的折射率有关，水汽含量是直接影响折射率的重要气象要素。同时，与气温、相对湿度突变也存在着一定关系。
沙漠中出现的海市蜃楼，会使人很难辨别远处的物体，同时也会使远处视野的轮廓变得模糊不清，就感觉好像被一片水包围着，而那片区域高出来的部分看上去就像水中的“岛屿”。另外，海市蜃楼还会使识别目标、估计射程、发现人员等变得十分困难。不过，如果找到一个高一点的地方（高出沙漠地面3米左右），那就可以避开贴近地表的热空气，从而克服海市蜃楼幻境。总之，只要稍稍调整一下观望的高度，海市蜃楼现象就会消失，或者它的外观和高度会发生改变。
有关海市蜃楼的现象，自古就有，经过多年的研究，科学界对海市蜃楼的形成原因已有研究结论。海市蜃楼是一种正常的光学现象，它的形成原因主要是由于光的折射而形成的，当沙质或石质地表热空气上升，使得光线发生折射作用，于是就产生了海市蜃楼。
光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折。理解：光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处，只是反射光返回原介质中，而折射光线则进入到另一种介质中。由于光在两种不同的物质里传播速度不同，故在两种介质的交界处传播方向发生变化，这就是光的折射。
有人曾利用装置，使光线从水里投射到水和空气的交界面上，就可以看到光线在这个交界面上分两部分：一部分反射到水里，一部分折射到空气中去。如果转动水中的那面镜子，使投向交界面的光线更倾斜一些，那么光线在空气中的折射现象就会显得更厉害些。
浙江大学房若宇利用定影粉配制成浓度连续变化的溶液, 来模拟大气中密度连续变化的空气, 实验获得了良好的海市蜃楼“上现蜃景”效果；另外, 用不同浓度的蔗糖溶液配制成的梯度溶液, 实现了“两个上现蜃景”的效果。通过对这两种体系的成像效果的研究, 加深了对海市蜃楼这一神秘自然景观的认识和理解。特别是在蔗糖梯度饱和溶液实验中, 在整个实验过程均可清楚地看到两个渗透层, 并且随着静置时间的推移, 互渗层的厚度也在增加, 而且成像效果越来越清晰。这种实验方法是海市蜃楼模拟实验的一个创新。
在一间不通风的屋子里，把一块长1.5米宽20厘米的平滑铁片横放在几根用铁管（或用木棍代替）做成的小柱子上，在铁片上撒上薄薄一层沙，做成沙漠型的表面。用深色的纸剪成树和骆驼，贴在一块毛玻璃（乳白色玻璃）上，把玻璃板放在铁片的一端，和铁片垂直，使树和骆驼露在沙层上面。在玻璃板后下方，用一只手电筒向上照射，在铁片的另一端看去，好像树木和骆驼后面衬托着明亮天空一样。然后，用小的煤球炉三只，放在铁片下面来加热（或用一只长型的炭盆，有条件时用长型的电炉加热最为理想）。加热时，要注意铁片各处加热要均匀，特别是靠近毛玻璃一端三分之二的地方。
这样，当加热一定时间以后，用手靠近沙面，感到很热时，开始沿薄铁片往毛玻璃方向观察。你就能发现沙面下方出现树木和骆驼的倒影，好像树木和骆驼旁边有湖水时所形成的倒影一样。这种现象就是“海市蜃楼”。
海市蜃楼是一种反常的折射现象，它是光线在垂直方向密度不同的大气层中传播，经过折射造成的结果。常分为上现、下现和侧现海市蜃楼。