Les mirages froids, également appelés mirages supérieurs, apparaissent lorsque les couches d’air près du sol sont plus froides que les couches d’air supérieures. Ces mirages sont principalement observables dans les régions polaires ou en mer lorsque la température de l’eau est plus froide que celle de l’air. Les rayons lumineux se courbent vers le bas, d’où la vision de l’image d’un objet au dessus de sa position réelle et inversée par rapport à l'objet initial. Ces conditions de températures entraînent la formation d’un gradient thermique positif et d’un gradient d’indice négatif. Parfois, seul le point culminant de l’objet apparaît plus haut que ce dernier. L'objet peut nous apparaitre agrandie et allongé.

Le phénomène du mirage froid (ou mirage supérieur)

Grâce au schéma, nous pouvons dire que lorsque le mirage se produit, on ne voit plus, au loin, l’objet sur le sol mais l’œil perçoit ce même objet au dessus de sa position réelle. Ce phénomène peut s’expliquer par le fait que notre œil prolonge la direction d’arrivée des rayons, c’est l’origine du nom « mirages supérieurs ».

Mirage supérieur, Antarctique

Les mirages inférieurs sont également appelés mirages chauds. Ces mirages ne se produisent pas seulement dans les déserts mais aussi sur les routes en été. Ce phénomène s’explique par la présence d’une couche d’air près du sol plus chaudes que les couches d’air supérieures. Les rayons lumineux passe de températures chaudes vers des températures froides. Le sol étant plus chaud, l’indice de réfraction de la lumière augmente à fur et à mesure que l’on s’éloigne de ce dernier. Ainsi, les rayons se courbent vers le haut et on observe un phénomène de mirage. La plupart du temps, les observateurs pensent observer un plan d'eau qui est en réalité le reflet du ciel. On dit que le gradient thermique est négatif.

Le phénomène du mirage chaud (ou mirage inférieur)

Grâce au schéma ci-dessus, nous pouvons observer un phénomène d’inversion de l’image. En effet, les rayons situés en haut de l’image étant moins inclinés par rapport au gradient que ceux du bas, ils subissent une réflexion totale plus basse et seront donc perçus en dessous des rayons du bas de l’objet.

Mirage inférieur, Désert du Sahara

Le mirage double 

Il arrive parfois que des mirages inférieurs et supérieurs se combinent. Ce phénomène est aussi appelée Fata Morgana. Ce type de mirage est observable en mer et non sur terre. Ce nom provient du Moyen-Âge lorsque des croisés naviguant sur la mer décrivèrent des châteaux s'élevant sur l'eau. Ils rendirent la fée Morgane responsable de cette apparition d'où le nom de Fata Morgana. Ce mirage ressemble à une falaise et est symétrique selon un axe parallèle au sol. Il s'agit du mirage le plus complexe. En effet, il est formé à partir d'une succession de couches d’air chaud et froid qui se rapprochent sans jamais se mélanger.

Fata Morgana, Finlande

Le phénomène de Fata Bromosa

Ce phénomène, aussi appelé « brouillard de fée », est comparable au phénomène de Fata Morgana, mais se manifeste de manière moins importante que ce dernier. L'observateur ne distingue pas exactement les limites du mirage et a une impression de brillance. Il assiste à l'apparition d'une image plate avec de nombreux contrastes de lumières avec par endroit une luminosité forte et à d'autres, une luminosité très faible. On a alors l'impression qu'une épaisse couche de brouillard ou qu'une couche enneigée surplombe la mer. 

Fata Bromosa, Groenland

Le Mont Canigou

Le mont Canigou est un pic des Pyrénées dont le point culiminant est situé à 2785 mètres. Ce mont situé à 253 km de Marseille ne devrait pas être observable depuis la ville même à 164 mètres au dessus du niveau de la mer sur la plateforme de la basilique Notre-Dame de la Garde. En effet, la sphéricité de la Terre explique que la ligne droite qui relie la basilique au sommet du mont Canigou passe à une profondeur de 120 mètres sous les eaux de la mer méditérannée. 

Pourtant, deux fois par an, le Canigou est bien visible de cette plateforme surélevée. Les mirages sont dus à un gradient. Les rayons ne suivent alors plus leur trajectoire de base (rectiligne) mais une courbe : c’est la réfraction atmosphérique. Cela s'explique par cette réfraction qui est rendue possible grâce une intensité lumineuse précise qui dépend de la position de la Terre par rapport au Soleil. Cette réfraction repose sur une réfraction de l'atmosphère qui surélève l'image du mont Canigou. Ainsi, les rayons lumineux issus du sommet du point culminant du mont suivent la courbure de la Terre et le rende visible. Ce mirage est comparable aux mirages froids.

Pour conclure, nous pouvons distinguer les mirages supérieurs au mirages inférieurs qui sont tous les deux relativement opposés. Le premier apparaît dans les zones très froides tandis que l'autre dans des zones plutôt très chaudes. Il y a également le mirage double, ou Fata Morgana, et le phénomène de Fata Bromosa qui font partis des mirages particuliers plus complexes mais également plus rares. Enfin, nous avons parlé du Mont Canigou, dont l'image étant surélevée grâce à la réfraction de l'atmosphère, est rendue visible depuis la ville de Marseille deux fois par an.