Полярні сяйва, також відомі як північні та південні полярні сяйва, є природним світлом у небі і зазвичай спостерігаються в нічний час. Зазвичай вони виникають в іоносфері. Як правило, видимі від 65 до 72 градусів північної та південної широти, утворюючи кільце в межах Арктики та Антарктики.
Полярне сяйво утворюється, коли заряджені частинки (електрони і протони) потрапляють в атмосферу поблизу полюсів. Коли ці частинки стикаються з атомами і молекулами верхніх шарів атмосфери, насамперед кисню й азоту, частина енергії цих зіткнень перетворюється на видиме світло, яке характеризує сяйво. Високошвидкісні частинки стикаються з атомами в атмосфері Землі на висоті десь від 50 до кількох сотень кілометрів над поверхнею Землі. Частинки походять із космосу, зокрема із сонячного вітру, що дме в напрямку від Сонця.
Коли електрони з космосу стикаються з атомами або молекулами в атмосфері Землі, електрон переходить на вищий енергетичний рівень, і атом перебуває у збудженому стані. Через деякий час електрон у збудженому атомі переходить на вихідний нижчий енергетичний рівень. Він вивільняє енергію у вигляді світла, викликаючи світіння полярних сяйв.
Колір сяйва залежить від хімічного складу, і кожен тип атомів утворює свій власний унікальний зразок кольору. Таким чином, різні кольори в полярних сяйвах походять від різних елементів в атмосфері Землі.
Два основних атмосферних гази, що беруть участь у полярному сяйві - кисень і азот:
· Кисень відповідає за появу двох основних кольорів : жовто-зелений з довжиною хвилі 557,7 нанометра (нм) є найпоширенішим, тоді як темно-червоне світло 630,0 нм трапляється рідше. Атомарний кисень утворюється на великих висотах, тому червоний колір у полярному сяйві зазвичай розташований над зеленим.
· Азот в іонізованому стані утворює синє світло, тоді як нейтральні молекули азоту - багряно-червоні кольори. Азот часто є відповідальним за пурпурово-червоні нижні межі й рифлені краї сяйва.
Суміші цих кольорів утворюють інші кольори.
Полярні сяйва, як правило, не відбуваються вище 500-1000 км , оскільки на цій висоті атмосфера занадто тонка, щоб забезпечити достатню кількість зіткнень із частинками, що надходять.
Найбільш помітні ближче до полюсів через тривалі періоди темряви і магнітного поля.
Майже всі планети Сонячної системи мають полярні сяйва. Якщо планета має атмосферу і бомбардується енергійними частинками, вона матиме полярні сяйва.
Планети, як-от Венера, що не мають магнітного поля, мають дуже "неправильну" форму сяйва, тоді як Земля, Юпітер, або Сатурн, які мають власне магнітне дипольне поле, мають полярні сяйва овальної форми у вигляді корон на обох півкулях. Коли магнітне поле планети не збігається з віссю обертання, виникає викривлення овалу полярних сяйв, які можуть бути в районі екватора, як на Урані і Нептуні.