Важным фактором, который определяет свойства полярных сияний, является химический состав верхней атмосферы и ее физические свойства (зависимость плотности каждой составляющей атмосферы от высоты, температуры, движения и др.). Атомы и молекулы, а также их ионы, способные возбуждаться при столкновениях с частицами вторгающегося в атмосферу потока, поглощают при возбуждении определенные порции энергии частиц (это так называемые строго определенные потенциалы возбуждения). Этими величинами энергии определяются и эмиссии (излучения) этих атомов и молекул, их длина волны и интенсивность.
Если бы земная атмосфера имела другой химический состав, то и полярные сияния наблюдались бы в других линиях. Благоприятные условия для сияния зависят от того, какова энергия воздействующего электрона или протона имеется в момент взаимодействия и эффективность этого взаимодействия для данного процесса.
Из сказанного ясно, что проблема полярных сияний относится к проблемам солнечно-земной физики. Видимое, оптическое излучение атмосферы, которое собственно и называется сиянием, является только одной из сторон сложного, но единого физического процесса, связанного с выбросом плазмы из Солнца, приходом этой плазмы к орбите Земли, взаимодействием ее с магнитосферой, которая при этом деформируется, проникновением этой плазмы в околоземное космическое пространство (внутрь магнитосферы), ускорением заряженных частиц в магнитосфере и, наконец, их вторжением в верхнюю атмосферу Земли. С момента вторжения заряженных частиц (электронов и протонов) в атмосферу Земли начинается целый комплекс процессов, включающих ионизацию атомов и молекул, их возбуждение, свечение их в определенных линиях и т. д.
Многие десятилетия полярные сияния исследовались в поверхности Земли. Только последнее время для этих целей стало возможным использование ракет, ИСЗ и высотных самолетов. В самом начале собирались факты о времени сияния, их месте и движениях. Затем стали возможны измерения высот полярных сияний при одновременном их наблюдении из нескольких пунктов на земной поверхности (триангуляционный метод). В дальнейшем стало возможным фотографирование полярных сияний, что положило начало накоплению фактического материала об этом природном явлении. Возможность фотографирования позволила более точно определять высоты сияния по их взаимному расположению относительно изображения на фотографиях из разных пунктов звезд. Полярные сияния очень изменчивы и динамичны. Поэтому применяемая в первых измерениях большая экспозиция при фотографировании не позволяла получить информацию о быстро меняющихся сияниях.
С одной стороны, изучались формы полярных сияний, их изменчивость, движения, условия их возникновения и исчезновения, а также зависимость от времени суток, сезона, солнечной и магнитной активности, широты и др. С другой — исследовалось излучение в отдельных линиях, делались попытки отождествить излучение в отдельных спектральных линиях с определенными переходами возбужденных атомов и молекул и их ионов. Так по характеру излучения верхней атмосферы был определен ее химический состав задолго до того, как стали возможными прямые измерения состава атмосферы с помощью ракет и ИСЗ. Этот источник информации о составе верхней атмосферы не потерял своего значения и в настоящее время, поскольку он позволяет получать более непрерывные и систематические данные.
Первые наблюдения излучения в определенных линиях (эмиссиях) выполнялись при помощи спектрографов. Эти измерения требовали длительных экспозиций и поэтому не давали необходимых разрешений в пространстве и времени. Применение фотометрических методов позволило производить значительно более ценные наблюдения.
Затем стали применяться спектрофотометры. Спектрофотометры, сканирующие в ограниченной области спектра, значительно превосходят спектрографы и широко используются при изучении полярных сияний.
Исследование спектров полярных сияний дало возможность получить ценную информацию не только о составе верхней атмосферы, но и о свойствах потоков заряженных частиц (электронов и протонов), которые вызывают полярные сияния. Для этого исследовалась интенсивность эмиссии в отдельных линиях, отношение интенсивностей в определенных линиях, их высотное распределение и зависимость от широты. Эти измерения достаточно сложны из-за того, что прибор суммирует все свечения, попадающие в его поле зрения, и трудно достичь большой точности в измерениях интенсивности эмиссии в отдельных линиях, а тем более с точной привязкой к высоте. Тем не менее полученный экспериментальный материал позволяет делать выводы о характеристиках вторгающихся электронов и протонов. Эти данные не потеряли своей актуальности и сейчас, когда стали возможны прямые измерения потоков заряженных частиц с помощью приборов, установленных на ракетах и спутниках.