Cực quang có thể sinh ra bằng tương tác của các hạt cao năng lượng (thông thường là điện tử) với các nguyên tử trung hòa trong lớp trên của khí quyển Trái Đất. Các hạt cao năng lượng này có thể kích thích (do va chạm) các điện tử hóa trị được liên kết với nguyên tử trung hòa. Các điện tử bị kích thích sau đó có thể trở về trạng thái thấp năng lượng nguyên thủy của chúng và trong quá trình đó giải phóng ra các photon (ánh sáng). Quá trình này giống như sự phóng điện plasma trong đèn neon.

Màu cụ thể nào đó của cực quang phụ thuộc vào loại khí cụ thể của khí quyển và trạng thái tích điện của chúng cũng như năng lượng của các hạt đâm vào khí của khí quyển. Ôxy nguyên tử chịu trách nhiệm cho hai màu chính là lục (bước sóng 557,7 nm) và đỏ (630,0 nm) ở các cao độ cao. Nitơ sinh ra màu lam (427,8 nm) (các ion) cũng như màu đỏ biến đổi nhanh từ ranh giới thấp của các cung cực quang đang hoạt động.

Một trong những nhà khoa học đầu tiên tiến hành mô hình hóa cực quang là Kristian Birkeland (người Na Uy). Mô hình từ trường Trái Đất của ông, chỉ ra rằng các điện tử cao năng lượng đâm trực tiếp vào mô hình Trái Đất được dẫn dắt về phía các cực từ và sinh ra các vòng ánh sáng xung quanh các cực. Ông cũng giả thiết xa hơn nữa "Các dòng điện như thế được hình dung là có thể tồn tại chủ yếu nhờ các hiệu ứng thứ cấp của các hạt tích điện từ mặt trời bị lôi kéo vào không gian" (năm 1908). Các dòng điện như vậy sau này đã được ủng hộ lớn trong bài báo của Hannes Alfvén. Năm 1969, Milo Schield, Alex Dessler và John Freeman, sử dụng tên gọi "các dòng điện Birkeland" lần đầu tiên, mà sự tồn tại của chúng cuối cùng đã được xác nhận năm 1973 nhờ vệ tinh Triad của hải quân.

Giải thích

Cực quang xuất hiện là do các hạt mang điện trong luồng vật chất từ Mặt Trời phóng tới hành tinh, khi các hạt này tiếp xúc với từ trường của hành tinh thì chúng bị đổi hướng do tác dụng của lực Lorentz. Lực này làm cho các hạt chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc dọc theo đường cảm ứng từ của hành tinh. Tại hai cực các đường cảm ứng từ hội tụ lại và làm cho các hạt mang điện theo đó đi sâu vào khí quyển của hành tinh.

Khi đi sâu vào khí quyển các hạt mang điện va chạm với các phân tử, nguyên tử trong khí quyển hành tinh và kích thích các phân tử này phát sáng. Do thành phần khí quyển hành tinh chứa nhiều khí khác nhau, khi bị kích thích mỗi loại khí phát ra ánh sáng có bước sóng khác nhau, tức là nhiều màu sắc khác nhau do đó tạo ra nhiều dải sáng với nhiều màu sắc trên bầu trời ở hai cực.