Quand le Soleil se lève ou se couche au-dessus du sol, les couches isothermes (où l'indice de réfraction est constant) sont beaucoup moins régulières qu'au-dessus d'une mer en raison du relief variable et de la diversité des sols survolés (terre, roche, villes, lacs), sauf dans le cas des déserts. Les effets de la réfraction qui en résultent sont de moins grande ampleur et on observe plutôt des mirages dont l'extension angulaire est moindre. Les variations du gradient de température se produisent sur des hauteurs plus réduites et de façon moins importante qu'au-dessus de l'eau où on est surtout attentif à des effets plus spectaculaires. Concrètement, quand le Soleil s'élève ou descend sur l'horizon, il traverse plusieurs couches plus minces avec inversion du gradient de température ce qui produit le profil typique de son limbe en "marches d'escalier".

1. Perturbation du limbe inférieur du Soleil

Dans les images suivantes, un fin lambeau du Soleil apparaît dans l'espace étroit entre son bord inférieur et l'horizon. En l'examinant avec attention, on note sa forme lenticulaire (images 1.1 et 1.2). Quand plusieurs images détachées apparaissent au fur et à mesure de l'élévation du Soleil, leur succession permet d'en déduire que le gradient de température subit plusieurs inversions au lieu d'une seule (images 1.3 et 1.4).

Les nombreuses variations du gradient de température avec l'altitude sont particulièrement bien visibles dans l'image 1.2 : le bord du Soleil est une succession de "marches d'escalier" qui attestent d'un profil de température très perturbé sur de faibles hauteurs.

2. Perturbation du limbe supérieur

Les images 2.1 à 2.4 présentent un lambeau du Soleil au-dessus de son bord supérieur. Elles peuvent être expliquées par la présence d'une couche chaude située au-dessus d'une couche plus froide, ce qui provoque l'apparition d'une image supérieure. Le phénomène a été reproduit par D. Gutierrez, F.J. Seron, O. Anson et A. Muñoz dans leur article Chasing the Green Flash: a Global Illumination Solution for Inhomogeneous Media¹ (cf. leur figure 5.2). La courbure inversée de l'image supérieure est bien visible dans les images 2.3, 2.4 et 2.8.

Les images 2.6 et 2.7 correspondent à des situations plus complexes avec plusieurs inversions du gradient de température, c'est-à-dire que la température de l'atmosphère augmente avec l'altitude, puis diminue, augmente de nouveau, etc. On a probablement ici une succession d'images inversée et droite. De plus, dans l'image 2.7 on n'observe pas les mêmes variations sur le côté gauche que sur le côté droit, ce qui indique que la température varie aussi horizontalement en plus de son évolution verticale.

L'image 2.1 correspond à un lever du Soleil, et toutes les autres à un coucher. Le Soleil se couche au-dessus du sol dans 2.1 à 2.7, et au-dessus de l'Océan-Atlantique dans 2.8 et 2.9.