Сталкиваясь с атомами кислорода и азота, солнечные частицы приводят их в возбужденное состояние, то есть сообщают им электрический заряд, в результате чего, выделяя избыток энергии, молекулы воздушного вещества дают яркое световое излучение. Если замена электронов происходит в молекулах кислорода, излучение приобретает оттенки в зеленой и красной областях спектра, если в молекулах азота – сияние приобретает фиолетовые оттенки. Такие процессы могут происходить только в высоких слоях атмосферы, поскольку в низких, более плотных слоях сталкивающиеся атомы и молекулы воздуха сразу же отнимают друг у друга энергию, полученную от солнечных частиц. Как правило, полярное сияние можно наблюдать на высоте от 80 до 1000 км.

Появление полярного сияния, его частота и интенсивность подвержены определенным закономерностям. Максимальная активность небесного свечения в течение суток отмечается около 23.00, сезонный пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним промежутки времени: март-апрель и сентябрь-октябрь. Если брать более серьезные промежутки времени, то максимальные пики активности полярного сияния представляют собой циклы, состоящие примерно из 27 дней и 11 лет, именно через такие временные промежутки полярное сияние возникает чаще обычного и, помимо северного и южного полюсов, его можно наблюдать и в более низких широтах. Эти циклы совпадают с периодами высокой активности магнитного поля Земли, так называемыми «магнитными бурями». Последние, в свою очередь, связаны с солнечной активностью. 27 суток – это период вращения Солнца, а через каждые 11 лет на нем циклично повышается активность, выражающаяся в появлении мощных групп пятен и сильных вспышек, вследствие чего усиливается интенсивность солнечного ветра – основного фактора, влияющего на возникновение полярного сияния.

Сейчас по классификации, составленной в 1963 году, полярные сияния делятся на три группы: лентообразные, диффузные и лучи. К первым относятся сияния в форме дуг и полос, с непрерывной нижней границей; дуги представляют собой арку с правильным, резко очерченным нижним краем, полосы более подвижны, чем дуги, нижний край у них неправильный, он содержит изгиб или складку. Лентообразные полярные сияния простираются в небе на тысячи километров по горизонтали и на сотни километров по вертикали, при этом толщина их составляет всего несколько сотен метров, из чего ученые делают вывод, что данный тип полярных сияний вызывается узким электронным пучком. Часто лентообразные формы возникают в несколько ярусов, простирающихся один над другим через весь небосвод, что представляет неописуемое и захватывающее зрелище.