Eine Fata Morgana oder Luftspiegelung ist ein durch Ablenkung des Lichtes an unterschiedlich warmen Luftschichten verursachter optischer Effekt. Im Gegensatz zu einer optischen Täuschung basiert die Fata Morgana auf physikalisch nachvollziehbaren Vorgängen der äußeren Natur.

Ursache für die Spiegelungen ist meistens eine Totalreflexion. Liegt eine kalte Luftschicht auf einer warmen, so wird das Objekt, das in der kalten Luftschicht zu sehen ist, an der Grenzfläche der Luftschichten nach unten gespiegelt. Dies ist z.B. in der Wüste der Fall, wenn der Himmel gespiegelt wird und als Wasseroberfläche erscheint.

Auch vermeintlich nasse Straßen an einem heißen Sommertag sind in Wirklichkeit Spiegelungen des Himmels.

Das Objekt, das in der oberen Luftschicht aufrecht dargestellt wird, muss sich nicht unbedingt in gerader Linie in und hinter dieser Luftschicht befinden. Durch die Spiegelung in der unteren Luftschicht können auch Teile des Originals verdeckt werden, so dass z.B. bei der Spiegelung eines Schiffes nur die Segel erscheinen (aufrecht und darunter gespiegelt, also auf dem Kopf) und dabei der Rumpf verdeckt wird.

In klimatisch kalten Regionen kann auch der gegenteilige Effektbeobachtet werden: Wenn sich warme Luftschichten über kalten befinden, wird das Abbild in der kalten Schicht nach oben gespiegelt. So werden z.B. Berge "auf den Kopf" gestellt.

Auch Vergrößerungen, Mehrfachspiegelungen und Verzerrungen sind möglich.

Seefahrer früherer Jahrhunderte nannten solche Erscheinungen bei Schiffen auch Fliegender Holländer.