Gli arcobaleni appaiono semicircolari su un terreno pianeggiante all'alba o al tramonto quando il sole è esattamente sull'orizzonte, e la maggior parte delle volte si osserva un segmento più piccolo di un arco. Poiché l'acqua è più densa dell'aria, la luce che passa dall'aria ad una goccia di pioggia con un determinato angolo rallenta e cambia direzione, dando origine ad un processo chiamato rifrazione. La luce solare è costituita da una serie di fasci di molte lunghezze d'onda differenti tra loro che rallentando causano la divisione della luce bianca o la dispersione, creando quindi sfumature blu e viola (più brevi) che attraversano un lieve cambiamento di direzione verso le lunghezze d'onda più lunghe come quella rossa. Se poi gli angoli in cui la luce entra nella gocciolina sono corretti, parte della stessa sarà riflessa dal bordo interno della goccia ed uscirà da essa, subendo nuovamente la rifrazione mentre passa dall'acqua all'aria.