Lors des jours d'hiver très froids où la température de l'air est inférieure à -5 °C, la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère peut passer directement de l'état gazeux à l'état solide. Ce processus s'appelle la sublimation, et les cristaux de glace peuvent alors prendre les formes les plus diverses. Selon la température et l'humidité de l'air, il se forme des aiguilles de glace, des dendrites (étoiles de neige à structure hexagonale), des plaquettes hexagonales ou des colonnes.
Ce processus se déroule généralement dans la troposphère supérieure, où l'on trouve toute l'année des nuages de cristaux de glace (nuages voilés - cirrus ou cirrostratus, voir Nuages). La réfraction et la réflexion de la lumière du soleil sur les cristaux de glace peuvent alors donner naissance à des arcs, des cercles et des fragments colorés ou blancs dans le ciel.
Ce phénomène, appelé halo, se présente sous différentes formes et est relativement fréquent, en fonction des structures cristallines impliquées.
Les cristaux de glace, et par conséquent les halos, peuvent également se former au bord du brouillard les jours d'hiver froids ou près du sol lorsque l'humidité de l'air est très élevée. Comme ces halos de brouillard givrant se forment très près de l'observateur, ils sont perçus comme très impressionnants.
Les noms et les descriptions des différents types de halos sont disponibles sur le site de l’atlas des nuages de l’OMM. On y trouve également de nombreuses informations sur d'autres phénomènes optiques dans l'atmosphère.