Объяснений причины полярного сияния было предложено очень много. Были среди них и очень наивные (вроде того, что это свечение гнилой рыбы, выброшенной на берег разбушевавшимся северным морем), и весьма прозорливые. Так, француз Ж.-Д. Мейран в середине XVIII в. предполагал, что сияния возникают тогда, когда «материя зодиакального света» попадает в атмосферу, а Э. Галлей считал, что появление полярных сияний связано со «светящейся магнитной жидкостью». Последнее предположение очень близко к истине.

М. В. Ломоносов также серьезно интересовался проблемой полярных сияний. Он писал: «Весьма вероятно, что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезновения, движения, цвету и виду, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются». Подобного мнения были Ж. Кэнтон в Англии и Б. Франклин в Америке.

Полярное сияние — самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Невооруженным глазом видно свечение атмосферы на высотах в сотни и на удалениях в тысячи километров. Свечение настолько разноцветно и динамично, что производит впечатление чего-то живого, движущегося, дышащего. Даже после 20 лет наблюдения полярных сияний это впечатление не пропадает. Привыкнуть к картине полярных сияний невозможно, каждый раз оно воспринимается как что-то новое, иное, чем вчера, более завлекающее. Недаром считают, что полярные сияния принадлежат к наиболее красивым явлениям природы.

Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является и единственным проявлением воздействия солнечной корпускулярной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое на больших пространствах можно видеть невооруженным глазом.

Полярное сияние — это свечение земной атмосферы под действием потоков электронов и протонов, которые вторгаются в верхнюю атмосферу. Первоисточником этих заряженных частиц является Солнце. Солнечные корпускулярные потоки, подходя к Земле, обтекают ее, поскольку Земля экранирована от заряженных частиц своим магнитным полем — магнитосферой. Однако конфигурация магнитосферы такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а затем, трансформируясь, и в верхнюю атмосферу. Здесь под действием электронов и протонов происходит ионизация нейтральных атмосферных газов (кислорода и азота), а также возбуждение их атомов и молекул. Это и является причиной свечения атомов и молекул кислорода, азота, водорода и других атмосферных газов.

Полярные сияния, которые вызываются электронами, по своим свойствам отличаются от сияний, вызываемых протонами. Если измерить характеристики излучения (длину волны, интенсивность), то можно сделать заключение о том, какие атомы или молекулы излучили эти волны, а также какими заряженными частицами (с какими энергиями) было вызвано возбуждение излучающих атомов и молекул.

Полярные сияния отличаются по форме, цвету (т. е. длине волны излучения), интенсивности свечения, высоте над поверхностью Земли и другим характеристикам. Дело в том, что они зависят от многих изменчивых факторов. Ото прежде всего потоки заряженных частиц — электронов и протонов, которые зависят от солнечной активности, широты и долготы данного места, времени суток, сезона и др. Потоки заряженных частиц характеризуются энергией, энергетическим спектром и интенсивностью. Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то важным представляется и распределение скоростей заряженных частиц относительно направления магнитной спловой линии. Это так называемое распределение заряженных частиц по питч-углам (это угол между направлением скорости частицы и направлением магнитной силовой линии).