Contrairement aux couronnes, les halos ne touchent pas le soleil ou la lune; ils sont des cercles de lumière causés par la réfraction des rayons lumineux par des cristaux de glace. Les différentes formes de cristaux pointant dans différentes directions sont responsables des différentes formes de halos. Les halos solaires sont assez fréquents, mais peu de gens les observent car le ciel est généralement trop lumineux quand ils se forment. Ils présentent habituellement en leur partie interne, une coloration rouge pâle, se dégradant souvent en jaune, vert, blanc et, en leur partie externe, un bord bleu ou violet. Ils ont parfois la forme de bandes, d'arcs ou de cercles lumineux, de colonnes lumineuses verticales ou horizontales, souvent réduites à des taches, partant de l'astre lumineux.
Il est essentiel qu'il y ait des cirrus ou des cirrostratus, car c'est grâce à eux que sont formés les halos. Ces nuages élevés sont formés de cristaux de glace circulant uniquement dans les plus hautes couches de la troposphère. Le phénomène des halos est causé par la réfraction et la réflexion de la lumière sur ces minuscules cristaux de glace. Selon l'angle avec lequel la lumière solaire est réfractée différentes formes de halos seront créées. C'est à travers ces cristaux, en forme de prisme à 6 côtés et à section transversale présentant 6 angles, que passent les rayons du soleil. Le plus souvent, ils en ressortent selon des angles de 22 degrés et 46 degrés, créant ainsi des halos, solaire ou lunaire, dont le rayon est toujours soit 22 degrés (petit anneau ou halo), soit 46 degrés (grand cercle ou halo). (Mais quelques fois, on peut rencontrer des halos de 8, 18 ou autres degrés.) Le halo résulte de la chute désordonnée de colonnes hexagonales, mais seules les colonnes orientées correctement à tout moment arriveront à créer les halos.
Le petit halo naît d'un cirrostratus ayant des cristaux dont la forme principale est un prisme hexagonal de taille uniforme, que l'on retrouve à des températures inférieures à -15 degrés environ. Il est formé par le passage de la lumière à travers les cristaux dont les faces forment un angle de 60 degrés. L'angle entre le rayon incident et celui qui émerge du cristal ne peut être inférieur à 22 degrés; c'est pourquoi le halo a la forme d'une couronne de 22 degrés de rayon, très définie en son bord intérieur et diffus en son bord extérieur. Cette zone diffuse est créée par la traversée du cristal par le rayon sous différents angles autres que 22 degrés.
Le grand halo lui, est moins fréquent que le petit. Aussi appelé halo de 46 degrés, il est dû au même phénomène que celui de 22 degrés, sauf que le prisme de réfraction est formé par une base du prisme et une face latérale. Les couleurs du grand halo sont les mêmes que celles du petit halo. Le grand cercle est particulièrement coloré avec les arcs supérieurs tangents.
On ne doit pas regarder trop près du soleil pour apercevoir un halo, car ils ont un grand diamètre. L'idéal est de se placer de telle sorte que le soleil est caché par un édifice ou un autre obstacle.
On peut également observer des halos autour de la pleine lune. Selon le dicton: "lune cerclée, pluie assurée", il semble qu'une fois sur deux la pluie ou la neige tombe un ou deux jours après l'observation d'un halo lunaire.
L'arc circumzénithal est moins fréquent, car il n'apparaît que si la hauteur du soleil au-dessus de l'horizon est inférieure à 32,2 degrés. Cet arc est formé quand la lumière solaire entre dans le cristal par la face horizontale supérieure et en ressort par une face latérale verticale. Quand le soleil est au-dessus de 32,2 degrés, la lumière est entièrement réfléchie à l'intérieur du cristal; c'est pourquoi on ne voit cet arc que lorsque le Soleil est relativement bas sur l'horizon. A 32,2 degrés, la lumière ressort du cristal verticalement vers le bas; on verra alors l'arc circumzénithal comme un point éclatant au zénith. A mesure que le soleil descend (se couche), le point se déploie pour former un arc de cercle coloré et centré au zénith face au soleil. Pour être bien technique, lorsque le soleil est à 22,1 degrés, l'éclat de l'arc est à son maximum et il est tangent au grand halo.
Nommés en l'honneur d'un explorateur britannique, Sir William Parry qui les décrivit en 1821, les arcs supérieur et inférieur de Parry sont formés par les mêmes cristaux que les arcs circumzénithaux. Ils apparaissent juste au-dessus ou au-dessous du petit halo. Ces phénomènes sont colorés.
Un peu au-dessus ou au-dessous de l'astre lumineux, à la distance de 22 degrés,
on peut fréquemment voir des arcs supérieurs et inférieurs tangents
au petit anneau. En fait, on observe plus souvent les arcs supérieurs; ils ont
souvent de belles couleurs. On les appelle aussi halos circonscrits.
Sur l'image suivante, on voit un arc tangent supérieur.
Le cercle parhélique a lieu quand la lumière solaire est réfléchie par les bases des colonnes horizontales et sur les faces latérales verticales des colonnes à capuchons et des plaquettes. La lumière, qui est réfléchie dans toutes les directions horizontales à partir des faces latérales, semble donc provenir de partout dans l'espace mais à des points de même altitude. Le cercle parhélique apparaît donc comme un anneau lumineux parallèle à l'horizon et faisant le tour du ciel. Il passe par le Soleil, par les parhélies et, si ceux-ci sont visibles, par l'anthélie et par les parenthélies. Plus la couverture nuageuse est uniforme, plus le cercle est complet; ce qui est rare.
L'anthélie est une tache blanchâtre opposée au Soleil, alors que les parenthélies sont situés à des azimuts de plus ou moins 120 degrés par rapport au Soleil. Leur apparence est semblable à l'anthélie.
C'est un type de halo qui ressemble à un brillant pilier lumineux, ou colonne de lumière, semblable au faisceau coloré d'un projecteur. Cette colonne se dresse au-dessus du soleil et apparaît quelquefois au lever ou au coucher de celui-ci.
Ce phénomène est dû à la réflexion de la lumière solaire sur les bases des cristaux en plaquettes ou des colonnes à capuchons. Seuls ces types de cristaux peuvent favoriser la formation d'une colonne solaire. Ces gros cristaux, qui ont la forme de mini-soucoupes volantes à 6 côtés, flottent ou oscillent comme des feuilles d'automne, à l'horizontale dans l'air quand celui-ci est quasi calme. La face inférieure de ces cristaux se comporte comme un miroir. Le soleil est donc réfléchi par ces milliards de petits miroirs. La forme de colonne tient au fait que seuls les cristaux situés directement au-dessus du soleil sont dans la bonne direction pour réfléchir sa lumière jusqu'à nos yeux. Si le vent s'en mêle ou s'intensifie, alors les reflets seront complètement désorganisés. Les colonnes solaires ne produisent pas de couleurs par elles-mêmes; elles prennent la couleur du soleil et paraissent souvent rouges ou orangées.
Quand la colonne solaire, le cercle parhélique et le petit halo apparaissent en même temps, leurs intersections forment des croix dans le ciel. Évidemment, il y a eu des gens pour interpréter leurs observations comme des signes du ciel!!!
Habituellement, le faux-soleil apparaît accompagné de son jumeau; mais quelquefois, il n'y en a qu'un seul, ou un des 2 est plus brillant que l'autre.
Ce phénomène est dû au passage des rayons solaires dans un voile de cristaux de glace qui se trouvent dans un cirrus ou qui tombent aux niveaux inférieurs. Ces cristaux sont les colonnes à capuchon, les balles de revolver et les plaquettes. Quand ces cristaux (ayant 6 côtés et ressemblant à de petits crayons) ont leur côté large et plat tourné vers le bas, ils réfractent (font dévier) la lumière du soleil selon un angle toujours supérieurs à 22 degrés, exactement de la manière à produire un ou deux faux soleils juste à un peu plus de 22 degrés de part et d'autre du vrai soleil. C'est quand le véritable soleil est à l'horizon que les faux soleils y sont le plus près. A ce moment-là, les parhélies seront sur le petit halo.
Les parhélies apparaissent souvent en même temps qu'un halo de 22 degrés et se développent dans les mêmes conditions. On peut facilement calculer si l'observation que l'on fait est bien celle d'une parhélie. Étirez le bras et la main vers l'avant, bien tendus et cachez le soleil avec le pouce. L'auriculaire écarté au maximum donne alors un angle d'environ 22 degrés.
L'apparition de faux soleils est plus fréquente en hiver, car les petits cristaux en forme de crayons sont plus communs à cette époque de l'année. On peut cependant en observer à d'autres moments dans l'année. On peut observer ce phénomène dans l'est des États-Unis environ une fois par semaine, spécialement l'hiver et tôt au printemps. On en rencontre plus souvent à de hautes latitudes. Parfois, au cours de la journée, les faux-soleils prennent de l'altitude avec le Soleil, mais ils ne sont visibles qu'en-dessous de 45 degrés au-dessus de l'horizon. Lorsque le Soleil est plus haut, la lumière réfractée est invisible pour l'observateur au sol.
Météorologiquement parlant, les parhélies peuvent indiquer l'arrivée d'un système de fronts ou le développement d'une basse pression, à cause bien sûr, de la présence des cirrus. Mais, ce n'est pas une prévision bien fiable puisque les cirrus n'annoncent pas à coup sûr l' arrivée des précipitations!
Il existe le même phénomène pour la lune: il est nommé parasélène et est beaucoup plus rare.
Autre phénomène très rare: la parhélie (ou parasélène) horizontale. Ce cercle horizontal englobe sous forme de bande brillante incolore tout le ciel, horizontalement au-dessus du soleil ou de la lune. Il est également accompagné de 2 parhélies à distance de moins de 120 degrés du soleil.
Le fait d'observer un halo nous permet de connaître immédiatement la température du nuage, l'état physique de l'eau, la taille, la forme et l'orientation des cristaux de glace.