Een luchtspiegeling is een beeld dat door de atmosfeer wordt vervormd, zodat de vorm en de plaats ervan er heel anders uitzien dan het werkelijke object. Het wordt veroorzaakt door de manier waarop licht buigt als het door luchtlagen van verschillende temperatuur gaat.
De woorden "luchtspiegeling" en "spiegel" komen van hetzelfde grondwoord, dat "kijken naar" betekent.
Normaal gesproken beweegt licht zich in een rechte lijn, maar het verandert van richting afhankelijk van waar het doorheen gaat. Dit buigen wordt "breking" genoemd. Gassen, zoals lucht, worden dunner naarmate ze warmer worden. Daardoor heeft licht de neiging te buigen (of te breken) naar de koudere luchtlaag. Hierdoor lijkt het beeld uit een andere richting te komen dan het oorspronkelijke voorwerp.
Er zijn twee basistypes van luchtspiegeling, afhankelijk van de richting waarin de temperatuur verandert, inferieur en superieur.
Een inferieure luchtspiegeling is waarschijnlijk het meest voorkomende type boven land. Overdag is de lucht nabij de vaste grond doorgaans warmer dan de lucht erboven. Wanneer er licht van de hemel doorheen valt, kan een glinsterend, gefragmenteerd beeld van de hemel uit de grond lijken te komen, dat op water lijkt.
Soms lijkt een luchtspiegeling van hoger te komen dan het oorspronkelijke voorwerp. Wanneer de koudere lucht lager is (een inversielaag genoemd), zoals vaak het geval is boven grote watermassa's of ijs, zal de schijnbare richting van de luchtspiegeling tegengesteld zijn aan die van een lagere luchtspiegeling. Het vervormde beeld van een schip of een eiland kan bijvoorbeeld op of boven het oppervlak verschijnen, zelfs als het oorspronkelijke object onder de horizon verborgen is.
Een "Fata Morgana" is een complexe superieure luchtspiegeling waarvan het uiterlijk snel en dramatisch kan veranderen. De naam verwijst naar Morgan le Fay, een mythische tovenares die sterk geassocieerd wordt met de Arthuriaanse legenden. In het verleden werden de verontrustende beelden die bij een fata Morgana te zien waren, toegeschreven aan door magie gecreëerde illusies.
Een fata morgana-effect kan worden bereikt door een oplosbare stof zoals suiker of zout langzaam te laten oplossen in een diepe bak water, zodat er meer suiker in het water bij de bodem zit dan in het water erboven. Dit kan het beeld van een voorwerp dat erdoorheen wordt gezien breken op een soortgelijke manier als een superieure luchtspiegeling die vaak boven open water wordt gezien.