環天頂アークは、英語圏で「Circumzenithal Arc（天頂を取り囲む弧）」と呼ばれ、その弓なりに反り返った優美な形状から「空の微笑み（Smile in the Sky）」とも称えられます。通常の虹が雨上がりに太陽を背にして現れるのに対し、環天頂アークは太陽と同じ方角の遥か高み、天頂（頭の真上）近くに出現するのが最大の特徴です。
この現象を生み出しているのは、雨粒ではなく上空5,000〜10,000メートル付近に浮かぶ巻層雲（うす雲）や巻雲に含まれる無数の「氷の結晶」です。氷点下数十度の高空では、水分が極めて平らな六角板状の微小な氷晶となって漂っています。大気が安定しているとき、これらの氷晶は空気抵抗によって平らな面を水平に保ちながらゆっくりと落下します。
水平に揃った氷の結晶の上面から太陽光が入射し、隣り合う側面から屈折して抜ける際、光はプリズムのように七色へと分光されます。雨粒による虹が光の「反射と屈折」の組み合わせであるのに対し、環天頂アークは「純粋な屈折のみ」によって生じるため、色の帯が濁らず、息をのむほど鮮やかでシャープなグラデーションを描き出します。
