“Khi trời quanh mây tạnh, đi tàu trên biển hoặc đứng trên bờ biển nhìn ra xa ta thường thấy những cảnh tượng như thuyền bè, đảo, hoặc thành quách xuất hiện nơi chân trời xa xăm. Những người đi trên sa mạc cũng thường thấy nơi chân trời hiện lên mặt nước hồ, cây bên bờ hồ lắc lư làm cho người ta mong mỏi nhanh đến được chỗ đó. Nhưng khi có một trận gió nổi lên thì những cảnh tượng này bỗng nhiên mất hết. Nguyên do vì đó là ảo ảnh, thường gọi là ảo ảnh trên biển.
Vì sao lại xuất hiện hiện tượng này? Muốn trả lời, trước hết chúng ta phải bàn về hiện tượng chiếu xạ ánh sáng.
Khi chiếu ánh sáng vào môi chất có mật độ đồng đều thì tốc độ ánh sáng sẽ không thay đổi, nó sẽ chiếu thẳng về phía trước. Nhưng khi ánh sáng chiếu xiên từ môi chất này sang môi chất khác sẽ có mật độ khác nhau thì tốc độ ánh sáng sẽ phát sinh biến đổi, hướng chiếu sẽ phát sinh chiết xạ. Hiện tượng này gọi là chiết xạ (khúc xạ).
Khi bạn dùng một gậy thẳng chọc xuống nước, bạn có thể thấy phần gậy trong nước như bị gãy gập so với phần trên. Đó là vì hiện tượng ánh sáng chiết xạ gây nên. Có người đã dùng một trang bị như hình vẽ dưới đây khiến cho tia sáng từ mặt nước chiếu vào mặt giới hạn mặt nước chia làm hai bộ phận: một phần phản xạ vào trong nước, một phần chiết xạ vào trong không khí, khiến cho ánh sáng chỗ mặt nước nghiêng đi một ít, như vậy làm cho hiện tượng chiết xạ của ánh sáng trong không khí hiện ra càng rõ hơn. Khi hướng của ánh sáng ở mặt giới hạn lệch đi như hình vẽ thứ hai thì toàn bộ ánh sáng sẽ phản xạ vào nước, ánh sáng chiết xạ vào trong không khí không còn nữa. Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần. Bản thân không khí không phải là một môi chất đồng đều. Nói chung mật độ của nó giảm xuống khi độ cao tăng lên, càng lên cao mật độ không khí càng giảm. Khi ánh sáng xuyên qua các tầng không khí ở những độ cao khác nhau thường xảy ra hiện tượng chiết xạ. Trong cuộc sống, vì chúng ta đã quen với hiện tượng chiết xạ này nên không cảm thấy có gì khác thường.
Nhưng khi nhiệt độ của không khí thay đổi theo chiều thẳng đứng sẽ dẫn đến mật độ không khí cũng thay đổi theo chiều thẳng đứng và sẽ gây ra sự chiết xạ và phản xạ toàn phần khác thường, điều đó dẫn đến hiện tượng ảo ảnh trên mặt biển. Vì tình hình mật độ không khí cụ thể khác nhau, nên hình thức xuất hiện ảo ảnh trên mặt biển cũng khác nhau.
Mùa hè, vào ban ngày, nhiệt độ nước biển tương đối thấp, đặc biệt là ở những vùng có luồng hải lưu lạnh đi qua, nhiệt độ nước càng thấp. Tầng không khí dưới cùng do chịu ảnh hưởng của nước biển nên lạnh hơn tầng trên, vì vậy xuất hiện hiện tượng khác thường là dưới lạnh trên ấm. Lớp khí ở tầng dưới vốn chịu áp suất khá cao, mật độ lớn, nay lại cộng thêm nhiệt độ thấp hơn tầng trên cho nên mật độ càng cao, do đó mật độ không khí tầng dưới đặc tầng trên loãng, chênh lệch nhau càng rõ rệt.
Giả sử ở chân trời phía đông chúng ta có một con tàu. Trong điều kiện bình thường ta không thể nhìn thấy nó, nhưng vì lúc đó mật độ không khí tầng dưới dày đặc, tầng trên loãng, chênh lệch nhau rất lớn cho nên ánh sáng từ con tàu chiếu đến từ lớp không khí đặc chiết xạ sang lớp không khí loãng và phản xạ toàn phần lên phần trên, rồi lại chiết xạ về lớp không khí đặc phần dưới. Kinh qua con đường gấp khúc như thế chiếu vào mắt ta, ta sẽ thấy được ảnh của nó. Vì thị giác của con người luôn cảm thấy ảnh vật theo đường thẳng do đó chúng ta đã nhìn thấy ảnh của con tàu được nâng cao lên rất nhiều so với con tàu thực, nên gọi là ảo ảnh trên không.
Ở duyên hải Trung Quốc có lúc nhìn thấy những ảo ảnh trên không như thế. Hơn 11 giờ sáng ngày 22 tháng 5 năm 1933, trên đảo Trúc Xá (bên ngoài cửa khẩu vịnh Giao Châu) biển Thanh Đảo, người ta từng phát hiện ảo ảnh trên không. Tin này truyền rất nhanh khắp thành phố, nhiều người đều nhìn thấy. Năm 1957 trên mặt biển gần tỉnh Quảng Đông đã từng xuất hiện ảo ảnh trên không kéo dài liên tục sáu giờ.
Không những mùa hè trên mặt biển nhìn thấy ảo ảnh mà trên mặt sông cũng có lúc nhìn thấy. Ngày 2 tháng 8 năm 1934 trên mặt sông gần vùng Nam Thông cũng đã xuất hiện ảo ảnh. Ngày đó trời nắng sáng, không khí rất nóng. Sau buổi trưa đột nhiên người ta phát hiện thấy trên không sông Trường Giang xuất hiện lâu đài thành quách và những ngôi nhà bằng gỗ, toàn bộ ảo ảnh kéo dài trên 10 km. Nửa giờ sau di chuyển về phía đông rồi bỗng nhiên mất hẳn. Sau đó lại xuất hiện ba ngọn núi cao sừng sững. Ngọn núi ở giữa giống như lư hương. Nửa giờ sau toàn bộ mất hết.
Trên sa mạc ban ngày, cát, đá bị Mặt Trời chiếu nóng nên nhiệt độ lớp không khí gần cát rất cao. Vì không khí truyền nhiệt kém, nên khi không có gió sự trao đổi nhiệt của hai lớp không khí trên và dưới rất ít, điều đó khiến cho sự chênh lệch nhiệt độ không khí theo chiều thẳng đứng rất rõ rệt, dẫn đến hiện tượng mật độ không khí lớp dưới thấp hơn lớp trên. Trong điều kiện đó, nếu phía trước có cây cối mọc trên một vùng ẩm ướt, ánh sáng chiếu từ các ngọn cây sẽ đi từ tầng không khí mật độ lớn vào tầng không khí mật độ nhỏ, hiện tượng chiết xạ sẽ phát sinh. Ánh sáng chiết xạ đi đến tầng không khí gần mặt đất có nhiệt độ cao và mật độ loãng sẽ phản xạ lại toàn phần, ánh sáng lại từ tầng không khí mật độ nhỏ phản xạ về tầng không khí mật độ lớn trên mặt đất. Cứ như vậy qua luồng sáng gấp khúc, sẽ chiếu ảnh của cây vào mắt ta, làm xuất hiện ảo ảnh cây đảo ngược.
Vì ảnh đảo ngược nằm thấp hơn vật thật, cho nên gọi là ảo ảnh ở phía dưới. Loại ảo ảnh đảo ngược rất dễ gây cho ta ảo giác cây mọc bên bờ nước, và cho rằng ở nơi xa nhất định là một hồ nước, thực ra chẳng có hồ nước nào cả.
Phàm những người đã từng đi trên sa mạc đều kinh qua cảm giác tương tự. Đó là vì cát bị Mặt Trời đốt nóng cuồn cuộn, khiến cho mật độ không khí từ dưới lên trên tăng lên, vì thế mà sinh ra ảo giác phía dưới.
Loại ảo ảnh nào cũng chỉ có thể xuất hiện trong điều kiện không có gió hoặc gió rất yếu. Một khi gió đã nổi lên khiến cho không khí các tầng trên dưới bị khuấy trộn, mật độ không khí chênh lệch không đáng kể, ánh sáng không bị chiết xạ hoặc phản xạ toàn phần thì ảo ảnh sẽ tiêu tan hết.”