В верхних миражах изображение располагается над предметом. Такие миражи возникают при наличии сильных температурных инверсий, когда плотность воздуха и показатель преломления с высотой быстро уменьшаются.

Траектории световых лучей при возникновении верхних миражей показаны на рис. 10.10. Предположим, что земная поверхность плоская и слои одинаковой плотности расположены параллельно ей. Обозначим показатели преломления слоев n₁, n₂ и т. д. Так как плотность убывает с высотой, то n₁ > n₂ >... Теплый слой, играющий роль зеркала, лежит на высоте. В этом слое, когда угол падения лучей i становится равным показателю преломления (sini = n), и происходит поворот лучей назад к земной поверхности. Наблюдатель может видеть одновременно сам предмет (если он не за горизонтом) и одно или несколько его изображений над ним — прямых и перевернутых.

На рис. 10.11 показана схема возникновения сложного верхнего миража. Виден сам предмет ab, над ним его прямое изображение а'b', перевернутое b"а" и снова прямое а'"b'". Такой мираж может возникнуть, если плотность воздуха уменьшается с высотой сначала медленно, затем быстро и снова медленно. Изображение получается перевернутым, если лучи, идущие от крайних точек предмета, пересекутся. Если предмет находится далеко (за горизонтом), то сам он может быть и не видим, а его изображения, высоко поднятые в воздух, видны с больших расстояний.

Над холодными морями или над выхоложенной поверхностью суши часто наблюдается расширение горизонта (случай 1 анализа рис. 10.7). Земля как бы немного распрямляется, и из-за горизонта поднимаются и становятся видными очень далекие предметы.

Приведем примеры верхних миражей. Город Ломоносов находится на берегу Финского залива в 40 км от Ленинграда. Обычно из Ломоносова Ленинград не виден совсем или виден очень плохо. Иногда же Ленинград виден „как на ладони." 18 июля 1820 г. известный полярный исследователь В. Скоресби, находясь в Гренландском море, увидел в подзорную трубу и зарисовал восточный берег Гренландии с расстояния в 70 км.