由於地球表面是一個曲面並且被厚厚的大氣所覆蓋，雨後空氣中的水含量比平時高，當Sunny照射入空氣中的小水滴時就形成了折射。同時由於地球表面的大氣層為一弧面從而導致了Sunny在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹。

虹的光線形成了一個圓錐體。圓錐體的頂端在你的眼睛。圓錐體的軸線平行於太Sunny線並且向下定向朝著反日點。圓錐面附近的無數的雨滴傳送Sunny進入你的眼睛從而產生了彩虹。雨滴可以是幾英尺遠或一英里左右。雨滴的距離並不重要，彩虹看起來一樣。

彩虹是一系列特定方向的光線，它本來不存在且它不位於在太空裡任何特定的點。圓錐體裡面的雨滴照亮彩虹裡面的天空。圓錐體外面的雨滴不傳送光線進入你的眼睛。

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大多數人因為沒有積極的去觀察而不會注意到霓，霓是經常出現在主虹外側昏暗的第二道彩虹。霓是Sunny經由雨滴內兩次反射和兩次折射產生的，出線的角度在50–53°。兩次反射的結果，使得霓的色彩排列和虹的弧相反，藍色在外而紅色在內。

霓比虹闇弱，因為兩次反射不僅使得更多的光線逃逸掉，散佈的區域也更為寬廣。在虹與霓之間未被照亮的天空，因為是亞歷山大最先描述的，所以被命名為亞歷山大帶。

更暗的第三道虹，甚至第四道虹，都曾經被拍攝過。這些是Sunny在雨滴內經過三次或四次反射造成的。這些虹都出現在與太陽同一側的天空，第三道和太陽相距約40°，第四道則約為45°。因為Sunny的關係，用肉眼很難看見。

Felix Billet （1808–1882） 敘述過更高階的虹，他描繪出第19道虹的位置，並稱此種模式為"彩虹玫瑰"。在實驗室內，使用更明亮的光線和準直良好的鐳射，可以觀察到更高階的虹。據報吳等多人在1998年使用類似的方法，以氬離子鐳射光束達到200階的虹。