L'atmosphère n'est pas un milieu homogène, on peut l'assimiler à une succession de couches d'air, suffisamment stables, dont la densité et la température varient de façon continue en fonction de l'altitude.

Les mirages sont dus à la déviation de rayons lumineux dans l’atmosphère. En effet, ils se propagent de manière rectiligne lorsqu’ils sont dans un milieu homogène et isotrope, c’est-à-dire dont les propriétés physiques sont les mêmes quelles que soit la direction d’observation. Ce principe de propagation n’est donc valable seulement dans un milieu homogène où l’indice de réfraction est le même partout.

Or la célérité de la lumière dans l'air est plus élevée quand celui-ci est moins dense car, quand la densité de l’air diminue cela signifie en fait que les molécules d’air sont de plus en plus espacées. Par conséquent, la vitesse de la lumière tend vers la célérité dans le vide. Il n’a pas été démontré de vitesse de la lumière plus grande que celle constatée dans le vide, donc quand la densité diminue, la vitesse de la lumière augmente. La vitesse de la lumière est ainsi plus grande quand la température de l'air est plus élevée. En effet nous pouvons l’expliquer avec l’équation d'état des gaz parfaits :

Avec P la pression en Pascal (Pa), V le volume en m³, n la quantité de matière en mol, T la température absolue en Kelvin et R la constante des gaz parfaits (R = 8,314 Pa.m³.mol^-1. K^-1)

La quantité de matière n (en mol) d’un gaz est égale au quotient de sa masse m (en g) sur sa masse molaire (en g.mol-1), soit :

Sa masse volumique ρ est numériquement égale à la masse (en kg) de l’unité de volime (en m³) du gaz dans des conditions données de température et de pression, soit :

Nous avons ainsi une pression :

or la densité d d’un gaz est :

où le dénominateur est la masse volumique du gaz de référence

Donc :

Nous montrons ici que pour P constante, lorsque la température augmente, la densité diminue. Ces deux grandeurs sont donc inversement proportionnelles.