Gli arcobaleni si formano quando la luce del sole entra nelle gocce d'acqua da dietro l'osservatore. La geometria delle gocce d'acqua consente la rifrazione e la riflessione. La luce solare, che è composta da luce di diverse lunghezze d'onda, si divide nelle lunghezze d'onda costituenti a causa della rifrazione quando entra nella gocciolina d'acqua, e viene quindi riflessa dalla superficie interna della gocciolina allo spettatore. Il raggio subisce nuovamente la rifrazione quando esce dalla gocciolina.
Il raggio di luce potrebbe subire diverse riflessioni interne all'interno della goccia d'acqua. Gli arcobaleni secondari si formano quando la luce si riflette due volte all'interno della goccia prima di uscire. La luce può riflettere fino a sei volte all'interno del droplet.
La dimensione delle gocce d'acqua non influisce sulla geometria dell'arcobaleno. Tuttavia, goccioline molto piccole, come quelle nella nebbia o nella nebbia, riducono l'effetto. L'effetto scattering sovrasta l'effetto della dispersione della luce nei suoi colori componenti a causa della rifrazione. Un "fogbow" così formato ha lo stesso arco di un arcobaleno, ma manca dei colori spettrali e appare come un arco bianco. I moonbows si formano anche di notte. Appaiono bianchi perché gli occhi umani sono meno sensibili al colore durante la notte.
Gli arcobaleni sono visibili solo da una posizione particolare e cambiano e si muovono man mano che si muove. Appaiono diversi per i diversi spettatori a causa del cambiamento di prospettiva.
È possibile ricreare la rifrazione della luce vista negli arcobaleni usando un prisma di vetro. Il numero di colori visti nella luce rifratta può essere fino a 100, tuttavia, a causa del numero di variabili in formazione di un arcobaleno, il numero di colori visibili può variare notevolmente. I sette colori associati agli arcobaleni: rosso, arancione, giallo, verde, blu. indaco e violetto, si possono far risalire a Isaac Newton, che egli associava alle sette note in scala musicale.
