Gradient współczynnika załamania, warstwa prowadząca, trzy rodzaje mirażu i gdzie ich szukać w Polsce.
Promień w powietrzu zakrzywia się tym mocniej, im szybciej zmienia się gęstość na jednostkę wysokości. Liczy się więc gradient, a nie sama różnica temperatur. Gęstość gra tu rolę dlatego, że każda cząsteczka powietrza dokłada swoje rozkołysane falą elektrony, które odrobinę opóźniają światło (Rozdział 3): warstwa, w której gęstość zmienia się z wysokością, jest więc warstwą, w której zmienia się współczynnik załamania — a promień zawsze skręca ku gęstszemu, „wolniejszemu” powietrzu.
Punkt odniesienia: żeby promień biegł po torze o krzywiźnie równej krzywiźnie Ziemi — czyli żeby horyzont przestał istnieć — potrzeba gradientu około 0,11°C na metr. To bardzo dużo: sto jedenaście stopni na kilometr, podczas gdy normalny gradient w troposferze to 6,5 stopnia na kilometr.
Takie gradienty występują jednak realnie, tylko w cienkich warstwach: tuż nad rozgrzanym asfaltem albo tuż nad zimną wodą. Stąd wszystkie miraże są zjawiskami przyziemnymi i wymagają patrzenia pod bardzo małym kątem.
Miraż dolny wymaga powietrza gorętszego przy ziemi niż wyżej — czyli gradientu odwróconego względem normy i bardzo silnego. Rozgrzany asfalt w upał osiąga 50–60°C, podczas gdy powietrze na wysokości metra ma 30°C; w warstwie kilkucentymetrowej daje to gradient rzędu setek stopni na metr. Promień wygina się ku górze i widzimy odwrócone odbicie pod obiektem — „kałużę”, w której odbija się niebo.
Miraż górny wymaga inwersji: powietrza cieplejszego u góry. Powstaje nad zimną wodą, lodem i śniegiem. Promień wygina się w dół, obiekt widzimy uniesiony, rozciągnięty w pionie, czasem odwrócony nad prawdziwym obrazem.
Fatamorgana to złożony miraż górny, w którym warstwa o silnym gradiencie działa jak falowód: promienie odbijają się w niej wielokrotnie i biegną wzdłuż krzywizny Ziemi zamiast uciekać w kosmos. Obraz zostaje wielokrotnie powtórzony i mocno rozciągnięty w pionie — zwykły daleki brzeg zamienia się w pionowe ściany i wieże.
Turbulentne mieszanie powietrza o różnej temperaturze tworzy nieustannie zmieniające się mikrosoczewki. Skutki widać w kilku miejscach:
Migotanie gwiazd. Gwiazda jest punktem, więc obraz skacze i zmienia jasność. Planety są małymi tarczami — uśrednienie po ich powierzchni tłumi efekt, dlatego planety migoczą znacznie słabiej. To najprostszy sposób odróżnienia planety od gwiazdy gołym okiem.
Drżenie nad asfaltem i nad ogniskiem. Ten sam mechanizm w skali metrów.
Nieostre zdjęcia teleobiektywem w upał. Fotografując z odległości kilkuset metrów w gorący dzień, uzyskuje się obraz rozmyty niezależnie od ustawienia ostrości. Astronomowie nazywają tę wielkość seeingiem i to ona, a nie średnica lustra, ogranicza rozdzielczość teleskopów naziemnych.