Hace más de tres siglos, Isaac Newton logró demostrar con ayuda de un prisma que la luz blanca del Sol contiene colores partiendo del rojo, a su vez pasando por el naranja, amarillo, por el verde, por el azul y añil hasta llegar al violeta. Esta separación de la luz en los colores que la conforman recibe el nombre de descomposición de la luz blanca.

El experimento de Newton no es difícil de reproducir, pues no es necesario contar con instrumental científico especial para llevarlo a cabo. Incluso hoy en día resulta ser uno de los más hermosos e instructivos para los principiantes estudiantes de óptica en educación básica, media y superior. Se puede lograr con un prisma, el cual, al ser atravesado por un rayo de luz blanca del sol, hace que el rayo de luz solar se refracte y salga por el lado opuesto descompuesto en los siete colores ya mencionados.

Pero muchos siglos antes de que naciera Newton la naturaleza ya había descompuesto la luz del Sol una y otra vez ante los ojos de nuestros antepasados. Algunas veces, después de una llovizna; otras, una tormenta. Lo cierto es que el arcoíris fue durante mucho tiempo un fenómeno tan asombroso como sobrecogedor. Tomado en ocasiones como portador de augurios, en otras como inspiración de leyenda, y siempre como una obra de arte, nunca ha dejado de parecer maravilloso al ser humano.

Cuando la luz solar incide sobre las gotas de lluvia, estas se encargan de producir del efecto, pero en algunas mucho más que en otras. Los rayos del Sol involucrados con la formación del arcoíris salen de las gotas de lluvia con un ángulo de aproximadamente 138 grados respecto de la dirección que llevaban antes de entrar en ellas. Este es el «ángulo del arcoíris», descubierto por René Descartes en el año de 1637. Como el ángulo de salida es de solo 138 grados, la luz no se refleja exactamente hacia su origen. Esto hace posible que el arcoíris sea visible para nosotros, que no solemos encontrarnos exactamente entre el Sol y la lluvia. De manera que siempre, si nos colocamos de frente a un arcoíris, el Sol estará detrás de nosotros.

Un rayo de luz solar, de los que forman un arcoíris, cambia su dirección tres veces mientras se mueve a través de una gota de lluvia: Primero entra en la gota, lo cual ocasiona que se refracte ligeramente. Entonces se mueve hacia el extremo opuesto de la gota, y se refleja en la cara interna de la misma. Finalmente, vuelve a refractarse cuando sale de la gota de lluvia en forma de luz dispersa. La descomposición en colores es posible porque el índice de refracción de la gota de agua es ligeramente distinto para cada longitud de onda, para cada color del arcoíris.

La luz solar emerge de muchas gotas de lluvia a un tiempo. El efecto combinado es un mosaico de pequeños destellos de luz dispersados por muchas gotas de lluvia, distribuido como un arco en el cielo. Los diversos tamaños y formas de las gotas afectan la intensidad de los colores del arcoíris. Gotas pequeñas hacen un arcoíris pálido y de colores con tonalidades pastel; gotas grandes producen colores muy vivos. Además, las gotas grandes son aplastadas por la resistencia del aire mientras caen. Esta distorsión ocasiona que el "final" del arcoíris tenga colores más intensos. "Quizás sea esta la causa de la leyenda que sugiere la existencia de una olla que contiene oro resplandeciente en el final del arcoíris".

Los ángulos que forman los rayos incidente y refractado hacia el ojo son mayores en el rayo secundario: 50° para la luz roja y 54° para la violeta. Vimos que en la formación del primario, el ángulo era de 132° para la luz roja, esto es, 42° respecto al observador.

Cuando alguien mira un arcoíris, lo que está viendo en realidad es luz dispersada por ciertas gotas de lluvia. Otra persona que se encuentre al lado del primer observador verá luz dispersada por otras gotas. De manera que puede decirse que cada quien ve su propio arcoíris, distinto (hablando en un sentido estricto) del que ven todos los demás.

Es común pretender estimar la posición del arco, especialmente sus "extremos", es decir, allí donde desaparece por no existir gotas que descompongan la luz. Pero el arco iris es, en realidad, un cono iris: todas las gotas situadas en la misma posición respecto del espectador y del sol descomponen la luz de igual manera. Si existen solamente gotas lejanas, en espectador tendrá la percepción de que el arco se encuentra en una posición determinada. En cambio, si unas gotas se encuentran próximas y otras alejadas, el espectador percibirá que la situación del arco es indeterminada.

Si las condiciones atmosféricas y el sitio de observación son perfectos, entonces la lluvia y el Sol trabajan juntos para crear un anillo de luz completo, denominado arcoíris circular.

Es importante notar la altura del Sol cuando uno observa un arcoíris, pues es algo que ayuda a determinar qué tanto alcanza uno a ver de él: cuanto más bajo se encuentre el Sol, más alta será la cresta del arcoíris y viceversa. Alguien que pueda elevarse un poco sobre la superficie de la Tierra, se daría cuenta de que ciertos arcoíris continúan por debajo del horizonte. Quienes escalan montañas altas han logrado ver en ocasiones una buena parte de arcoíris circulares completos. Pero ni siquiera las montañas poseen la suficiente altura como para poder llegar a observar un arcoíris circular en su totalidad.

Isaac Newton demostró entre 1670 y 1672 que la luz blanca estaba formada por bandas de colores que podían separarse por medio de un prisma. En su libro Opticks de 1704, señaló en un círculo de colores (disco de Newton) que la luz, al igual que el arcoíris, se compone de siete colores. Estos 7 colores son los siguientes:

Del mismo modo en cómo se presenta en el espectro visible (Se llama espectro visible a la región del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir. A la radiación electromagnética en este rango de longitudes de onda se le llama luz visible o simplemente luz. No hay límites exactos en el espectro visible: el ojo humano típico responderá a longitudes de onda de 390 a 750 nm, aunque algunas personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde 380 hasta 780 nm), hay un gradiente continuo de colores, por lo que en realidad no son solo siete los colores sino miles o al menos cientos los que podrían percibirse; aunque estos siete colores permiten su mejor comprensión por simplificación del esquema. El quinto color representa la gama del azul claro, mientras que el sexto color es el azul más oscuro; es por esto que tradicionalmente se llamó índigo o añil al azul oscuro y más antiguamente color turquí.

Un arco Circuncenital es un fenómeno atmosférico fascinante, a veces llamado un arco iris inverso, ya que a primera vista, es la impresión que muestra. El arco de circuncenital o arco circumzenith ( CZA ), también llamado el arco de Bravais, es un fenómeno óptico similar en apariencia a un arco iris, pero que surge de la refracción de la luz solar orientada horizontalmente a través a cristales de hielo, generalmente en las nubes cirrus, en lugar de gotas de lluvia. Se forma no más de una cuarta parte de un círculo centrado en el cenit. Sus matices son de color azul en el interior a rojo en el exterior del arco. Se trata de uno de los más brillantes y más coloridos halos. Sus colores son más puros que los del arco iris porque hay mucho menos superposición de color en su formación. La primera impresión es la de un arco iris al revés. El arco circuncenital se ha llamado “una sonrisa en el cielo” por su apariencia. La luz que forma el CZA entra en un cristal de hielo a través de su cara superior plana, y sale a través de una cara del lado del prisma. El CZA sólo se puede formar cuando el sol está a una altura inferior a 32,2 °. El CZA es más brillante cuando el sol está a 22 ° sobre el horizonte. El radio CZA varía entre 32.2 ° y 0 °, dependiendo de la altitud solar.

Un arcoíris lunar (también conocido como arcoíris blanco o sencillamente arco lunar) es un arcoíris que ocurre por la refracción de la luz, en este caso lunar, sobre una lluvia o neblina nocturna. Los arcos iris lunares son relativamente tenues, debido a la escasa cantidad de luz que llega desde la Luna. Como los arcos iris, los arcos lunares se encuentran siempre en el lado opuesto del cielo desde el que llega la luz de la luna. las mejores condiciones para que se produzca un arcoíris lunar son:

Es difícil distinguir los colores en un arcoíris lunar porque la luz es generalmente demasiado débil para excitar los conos receptores de colores del ojo. Sin embargo, las cámaras fotográficas sí son capaces de captar los distintos colores.

Un arco circunhorizontal (esto es, horizontal a la superficie terrestre) o arco iris de fuego es un fenómeno óptico atmosférico en forma de halo(también conocido cómo aro iris es un efecto óptico en forma de disco alrededor del sol o la luna) similar a un arco iris, pero se diferencia en que es más corto, de mayor espesor y no es causado por la refracción de luz en gotas de agua, sino a través de cristales de hielo en nubes cirrus (nubes compuestas por cristales de hielo).

Ocurre solo cuando el sol está alto en el cielo, por lo menos 58° sobre el horizonte, y solo puede ocurrir en presencia de nubes cirrus. Por esto no puede ser observado en latitudes superiores a 55°, excepto ocasionalmente desde montañas