Las líneas onduladas que aparecen sobre una parrilla caliente o una carretera asfaltada en pleno verano son provocadas por un fenómeno llamado refracción. La refracción es la curvatura de las ondas de luz y ocurre cuando la luz pasa entre sustancias con diferentes índices de refracción, en este caso, aire frío y aire caliente. Debido a que el aire caliente es menos denso que el aire frío, la luz se acelera cuando alcanza una superficie caliente y luego se curva hacia arriba, lo que hace que el espectador vea una imagen del cielo y la superficie parezca ondulada por el calor. Este fenómeno es responsable de los espejismos del desierto, ya que la refracción y el reflejo se ven muy similares al ojo humano, y la imagen refractada del cielo de arena muy caliente puede parecerse al reflejo del cielo en un charco de agua.
La razón por la que las cosas se ven onduladas con el calor, en lugar de aparecer como una imagen estable del cielo, es que la temperatura del aire no es estable. El aire caliente asciende de forma natural, de modo que a medida que el aire sale de la superficie caliente, se eleva un poco antes de enfriarse rápidamente y hundirse para calentarse nuevamente. Esta mezcla constante de aire caliente y frío produce vibraciones, que se traducen en imágenes refractadas que se ven onduladas. Una carretera que parece ondulada por el calor puede ser peligrosa, ya que puede parecer que se ha derramado agua o aceite en la carretera, por lo que es importante conducir con precaución cuando hace suficiente calor como para que aparezcan los llamados “espejismos de la carretera”. La arena en un desierto también es propensa a los espejismos, que los viajeros sedientos pueden interpretar notoriamente como un oasis.
Cuando las cosas se ven onduladas con el calor, el fenómeno se conoce como espejismo inferior, porque la imagen que se ve es inferior o más baja que el objeto real, en este caso el cielo. También es posible un espejismo superior, en el que aparece una imagen sobre el objeto real. Para que ocurra este tipo de espejismo, el aire caliente debe estar más alto en la atmósfera que el aire frío. Un ejemplo de un espejismo superior es la luz del sol que a veces se ve por encima del horizonte cuando el sol mismo está por debajo del horizonte.