Le aurore derivano dall’emissione di fotoni nell’alta atmosfera terrestre (sopra gli 80 km, o 50 mi), da atomi di azoto ionizzati che riacquistano un elettrone, e da atomi di ossigeno e azoto che ritornano da uno stato eccitato allo stato di terra. Sono ionizzati o eccitati dalla collisione di vento solare e particelle magnetosferiche (come protoni ed elettroni ad alta energia) che si incanalano e accelerano lungo le linee del campo magnetico terrestre. L’energia delle particelle eccitate viene persa emettendo fotoni o scontrandosi con un altro atomo o molecola.
Il vento solare consiste di elettroni e protoni liberi ad alta energia che hanno origine nel sole. Nel vuoto dello spazio, essi mantengono la loro energia perché il normale metodo di perdita di energia, la collisione, non è possibile a causa della bassa densità delle particelle. Invece, questo flusso energetico di particelle è attratto dal campo magnetico terrestre, dove si scontra con l’ossigeno e l’azoto nelle regioni superiori dell’atmosfera. Il movimento di queste particelle cariche provoca anche elettricità, che serve ad eccitare ulteriormente le molecole dell’atmosfera terrestre. Questa energia serve a muovere gli elettroni nell’azoto e nell’ossigeno dal loro stato fondamentale fino a uno stato eccitato, dove possono poi decadere di nuovo allo stato fondamentale emettendo fotoni di luce visibile (vedi il concetto sugli spettri di emissione per maggiori informazioni). Le collisioni con altri atomi o molecole possono assorbire l’energia di eccitazione e impedire l’emissione.
Le emissioni di ossigeno sono verdi o rosso-brunastre, a seconda della quantità di energia assorbita. Le emissioni di azoto sono blu se l’atomo riacquista un elettrone dopo essere stato ionizzato e rosse se l’atomo ritorna allo stato di terra da uno stato eccitato. L’ossigeno è insolito in termini di ritorno allo stato di terra: può impiegare tre quarti di secondo per emettere luce verde e fino a due minuti per emettere rosso. Poiché la parte superiore dell’atmosfera ha una percentuale più alta di ossigeno ed è scarsamente distribuita, le collisioni che impediscono l’emissione sono abbastanza rare da permettere all’ossigeno il tempo necessario per emettere la luce rossa.
Le collisioni diventano più frequenti più in basso nell’atmosfera, e le emissioni rosse non hanno il tempo di avvenire; alla fine, anche le emissioni di luce verde sono impedite. Questo è il motivo per cui c’è una differenza di colore con l’altitudine: ad alta quota, rimangono le emissioni rosse dell’ossigeno; poi, le emissioni verdi dell’ossigeno e le emissioni blu e rosse dell’azoto; e infine, rimangono solo le emissioni blu e rosse dell’azoto, perché le collisioni impediscono all’ossigeno di emettere qualsiasi luce. Il verde è il colore più comune di tutte le aurore, seguito dal rosa, un misto di verde chiaro e rosso, rosso puro, giallo (un misto di rosso e verde), e blu puro.