Rychlost světla šířícího se prostředím o stejném indexu lomu je ve všech směrech i místech stálá, paprsek má tvar přímky. Jednotlivé vrstvy ovzduší vykazují různé fyzikální vlastnosti, světlo má v každém místě jinou rychlost a paprsek se na jednotlivých vrstvách láme. S nadmořskou výškou se lomivost vzduchu zmenšuje. Protože se vlastnosti vzduchu s rostoucí nadmořskou výškou mění plynule, má paprsek tvar křivky. Tento jev se nazývá astronomická (objekt je ve vesmíru) nebo terestrická (objekt se nachází v atmosféře) refrakce a míní se jím odchylka světelného paprsku od přímého směru.
Astronomická refrakce závisí na výšce předmětu nad obzorem. Největší hodnoty nabývá pro pozorování na obzoru, nulové hodnoty pro pozorování v nadhlavníku (zenitu). Proto jsou často konstruovány dalekohledy právě pro pozorování v zenitu. V důsledku astronomické refrakce vidíme vesmírná tělesa až o 35´ výše nad obzorem, ve směru tečny vedené k zakřivenému paprsku. Posouvají se nám východy a západy hvězd a Slunce vidíme ještě 2 minuty po západu; tedy po okamžiku, kdy geometricky zmizí za obzorem. Den se v našich zeměpisných šířkách prodlužuje o 8 až 12 minut. Za polárním kruhem se trvání dne prodlužuje až o několik dnů a polární noc se zkracuje.
Prostředí s podobnými vlastnostmi si můžeme vyrobit i uměle. Do hranaté skleněné nádoby s rovnoběžnými stěnami vlijeme do poloviny asi 10 % roztok želatiny a počkáme až vystydne. Potom nalijeme zbytek trošku oslazený. Difúzí se obě vrstvy spojí a vznikne prostředí s proměnným indexem lomu od 1,35 do 1,8. Jestliže posvítíme paprskem šikmo nahoru zaoblí se a úplně se odrazí a obloukem se vrátí druhou stěnou ven ze sklenice.
V důsledku proměnného indexu lomu vzduchu v atmosféře dochází k deformaci slunečního disku v blízkosti obzoru nebo mihotání hvězd. Astronomická refrakce je pro dolní okraj slunečního disku větší než pro horní okraj, proto se sluneční disk jeví těsně u obzoru poněkud zploštělý. Ve skutečnosti je situace trošku složitější, obzvlášť ráno, kdy teplota vzduchu jeví inverzi. Důsledkem turbulentní struktury atmosféry je neustálá změna indexu lomu vzduchu a jejím následkem je mihotání bodových zdrojů světla pozemských nebo mimozemských.
Jedním z důsledků refrakce je i zdánlivé zvednutí obzoru. Paprsek procházející šikmo atmosférou se za normálního rozložení hustoty vzduchu zakřivuje směrem k povrchu země. Toto zakřivení je ještě patrnější, nastane–li přízemní teplotní inverze. Pomocí zdánlivého zvednutí obzoru se možná dají vysvětlit obrazy opravdu obřích oblud na moři, nebo i schopnost vikingských mořeplavců plavit se do Grónska.
Ke spodnímu zrcadlení dochází v případě, že spodní vrstvy vzduchu mají vyšší teplotu než horní vrstvy (a teplotní spád je dosti strmý). K takové situaci dochází například na pouštích nebo nad běžnou silnicí za jasného letního dne. V zahřáté vrstvě se pak světlo šíří rychleji, ohýbá se ke kolmici a pokud je rozdíl teplot velký, dojde k úplnému odrazu a paprsek se ohýbá. Pozorovatel pak za určitých podmínek pozoruje převrácený obraz mnohem vzdálenějšího předmětu.
Spodní zrcadlení.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
K hornímu zrcadlení dochází v případě, že horní vrstva atmosféry má vyšší teplotu než vrstvy pod ní. K takové situaci může dojít v případě teplotní inverze, tedy nasune–li se teplá fronta nad studenou frontu. V našich zeměpisných šířkách k tomuto jevu dochází většinou v zimě, kdy jsou lépe splněny podmínky pro teplotní inverzi. Vhodným místem pro výskyt takového zrcadlení jsou polární oblasti a pouště. Tyto podmínky může splňovat také rozlehlá vodní plocha oceánů, která se díky velké tepelné kapacitě vody jen zvolna zahřívá. Paprsek se při průchodu atmosférou láme od kolmice. V případě, kdy hustota vzduchu klesá rychleji, dojde k úplnému odrazu a paprsek se ohne zpět k zemi. Pozorovatel pak vidí předmět ve směru tečny k ohnutému paprsku. Může vidět předměty i za obzorem. Jestliže je takových vrstev více, může dojít k několikanásobnému úplnému odrazu na několika vrstvách a předmět se pak zobrazí několikrát, vždy ve směru tečny k lomenému paprsku.
Horní zrcadlení.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Často se pro oba jevy používá neodborný název fata morgana. Tento ustálený výraz pro zvláštní přírodní úkazy má svůj původ v bretonské pověsti. Fata Morgana byla údajně kouzelnice, nevlastní dcera krále Artuše a zavržená milenka Lancelotova, která svou moc projevovala vzdušnými přeludy. Dle pověsti Fata Morgana bydlela v mořských úžinách Messiny u Itálie v křišťálovém paláci a se svými družkami se objevovala při západu slunce ve skvostně zářivých podobách.
Velice známé jsou popisy námořníků, kteří viděli zbloudilé lodi bez posádky, podivně se vznášející nad hladinou moře a někdy i převrácené podél vodorovné osy (vzhůru nohama). Tak zřejmě vznikly příběhy o Bludném Holanďanovi. Z prostředí moře jsou známá i zrcadlení vzdálených ostrovů a pevnin. Nejznámější jsou popisy faty morgány z pouští, můžeme se s nimi setkat všude tam, kde dochází k významnému zahřátí vzduchu v přízemních vrstvách. Za pěkných letních dní při bezvětří je možné fatu morgánu spatřit například nad zahřátou silnicí, která se nám jeví jako mokrá.
