Впервые природу полярного сияния попытался объяснить М. В. Ломоносов. Он предположил, что это явление вызывается электрическими разрядами, происходящими в высоких слоях атмосферы. Своё предположение Ломоносов основывал на им же проведённых опытах: если из стеклянного шара выкачать воздух и пропустить через разреженное пространство электрический ток, то «…електрическая сила в шаре… внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их местах выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется». Ломоносов решил, что подобные явления наблюдаются в атмосфере во время полярного сияния.
Гениальная догадка Ломоносова в основном подтвердилась. Теперь достоверно известно, что полярное сияние представляет собой свечение разреженного ионизированного воздуха в слоях атмосферы на высоте от 80 до 1000 километров.
Полярные сияния доказывают, что воздух есть и на высоте 1000 километров. Они помогли учёным определить и состав атмосферы на больших высотах. Здесь на помощь пришёл спектральный анализ т. е. определение состава вещества по его спектру.
Белый солнечный свет состоит из разноцветных лучей. Если его пропустить через стеклянную призму, то белый свет распадётся на множество составляющих его цветных лучей, начиная с фиолетового и кончая красным. Эта разноцветная полоска и называется спектром. Спектр получается потому, что цветные лучи, составляющие белый свет, отклоняются призмой от первоначального направления или, как говорят, преломляются по-разному.
Если в спектре цвета непрерывно переходят один в другой, то такой спектр называется сплошным. Сплошной спектр дают раскалённые тела в твёрдом и жидком состояниях, а также газы при большом давлении.
Иначе выглядит спектр раскалённых паров и газов. Этот спектр состоит из цветных линий, разделённых тёмными полосами. Поэтому он называется линейчатым. Каждое химическое вещество имеет свой, характерный только для него спектр. По виду спектра можно заключить, какое вещество излучает свет.
Световой луч несёт сведения не только об излучающем веществе. Если луч проходит через охлаждённый пар или газ, то в сплошном спектре появляются тёмные линии — полосы поглощения. По этим полосам можно определить состав пара или газа, находящегося на пути света.
Учёные использовали спектральный анализ для исследования состава высоких слоёв атмосферы. Изучение спектров полярных сияний показало, что до высоты 1000 километров состав воздуха почти не изменяется, но азот и кислород находятся на больших высотах не в виде молекул, а в виде атомов.
Сумерки и ночное небо. После захода Солнца лучи его ещё долго освещают земную атмосферу, так как воздух рассеивает их. Это рассеяние и является причиной сумерек.
По продолжительности сумерек можно установить высоту рассеивающего слоя. Сумерки исчезают, когда солнечные лучи попадают в слои воздуха, расположенные выше 200 километров. В этих слоях воздух настолько разрежен, что отражённый им свет становится незаметным. Изучение сумеречного света с помощью спектрального анализа позволило узнать и состав этого слоя.
Ещё более интересные результаты были получены при изучении ночного неба.
После того, как исчезнет последний свет сумерек, на небе можно иногда заметить свечение. Это свечение наблюдается в южных районах (у нас, например, вблизи г. Алма-Ата) весной и осенью в форме светлого конуса, наклонённого к горизонту. Оно появляется потому, что между Землёй и Солнцем, в плоскости орбиты Земли, имеются облака космической пыли, которые рассеивают солнечные лучи и отбрасывают их на поверхность Земли.
В последние годы советский астроном академик В. Г. Фесенков и его сотрудники заметили, что свечение ночного неба можно наблюдать и летом около 21 июня (летнее солнцестояние). С помощью спектрального анализа было доказано, что это свечение обусловлено атомами кислорода и азота. Появление такого свечения в определённые периоды времени говорило о том, что оно вызывается верхними слоями атмосферы, а не случайными облаками пыли, блуждающими в мировом пространстве. Наблюдения за этим свечением позволили заключить, что атмосфера не имеет правильной шарообразной формы. Она вытянута, главным образом, в плоскости вращения Земли вокруг Солнца. При этом растекание внешних слоёв атмосферы в плоскости земной орбиты происходит более интенсивно в направлении, противоположном Солнцу. С этой стороны верхняя часть атмосферы имеет форму газового рукава.