De modo geral, o efeito luminoso é dominado pela emissão de átomos de oxigênio em altas camadas atmosféricas (em torno de 200 km de altitude), o que produz a tonalidade verde. Quando a tempestade é forte, camadas mais baixas da atmosfera são atingidas pelo vento solar (em torno de 100 km de altitude), produzindo a tonalidade vermelho escura pela emissão de átomos de nitrogênio (predominante) e oxigênio. Átomos de oxigênio emitem tonalidades de cores bastante variadas, mas as predominantes são o vermelho e o verde.
O fenômeno também pode ser observado com uma iluminação ultravioleta, violeta ou azul, originada de átomos de nitrogênio, sendo que a primeira é um bom meio para observá-lo do espaço (mas não em terra firme, pois a atmosfera absorve os raios UV). O satélite da NASA Polar já observou o efeito em raios X, sendo que a imagem mostra precipitações de elétrons de alta energia.
A interação entre moléculas de oxigênio e nitrogênio, ambas gerando tonalidades na faixa do verde, cria o efeito da "linha verde auroral", como evidenciado pelas imagens da Estação Espacial Internacional. Da mesma forma a interação entre tais átomos pode produzir o efeito da "linha vermelha auroral", ainda que mais raro e presente em altitudes mais altas.
As auroras geralmente são confinadas em regiões de formato oval, próximas aos pólos magnéticos. Quando a atividade do efeito está calma, a região possui um tamanho médio de 3.000 km, podendo aumentar para 4.000 ou 5.000 km quando os ventos solares são mais intensos.
A fonte de energia da aurora é obtida pelos ventos solares fluindo pela Terra. Tanto a magnetosfera quanto os ventos solares podem conduzir eletricidade. É conhecido que se dois condutores elétricos ligados por um circuito elétrico são imersos em um campo magnético e um deles move-se relativamente ao outro, uma corrente elétrica será gerada no circuito. Geradores elétricos ou dínamos fazem uso de tal processo, mas condutores também podem ser constituídos de plasmas ou ainda outros fluidos. Seguindo a mesma idéia, o vento solar e a magnetosfera são fluidos condutores de eletricidade com movimento relativo, e são capazes de gerar corrente elétrica, que originam tal efeito luminoso.
Como os pólos magnético e geográfico do nosso planeta não estão alinhados, da mesma forma as regiões aurorais não estão alinhadas com o pólo geográfico. Os melhores pontos (chamados pontos de auge) para a observação de auroras encontram-se no Canadá para auroras boreais e na ilha da Tasmânia ou sul da Nova Zelândia para auroras austrais.
As auroras boreais vêm sendo estudadas cientificamente desde o século XVII. Em 1621, o astrônomo francês Pierre Gassendi descreveu o fenômeno observado no sul da França. No mesmo ano, o astrônomo italiano Galileu Galilei começou a investigar o fenômeno como parte de um estudo sobre o movimentos dos astros celestes. Como seu raio de estudo limitava-se à Europa, o fato de verificar o fenômeno no norte do continente levou-o a batizá-lo aurora boreal.
No século XVIII o navegador inglês James Cook presenciou no Oceano Índico o mesmo fenômeno de Galileu, batizando-o aurora austral. A partir de então ficou claro que o efeito não era exclusivo do hemisfério norte terrestre, criando-se a denominação aurora polar. Na mesma época, o astrônomo britânico Edmond Halley suspeitou que o campo magnético terrestre estivesse relacionado com a formação de auroras boreais. Em 1741, Olof Hiorter e Anders Celsius foram os primeiros a noticiar evidências do controle magnético quando existiam observações de auroras.
O experimento de Kristian Birkeland com câmaras de vácuoHenry Cavendish, em 1768, calculou a altitude no qual o fenômeno ocorre, mas somente em 1896 uma aurora foi reproduzida em laboratório por Kristian Birkeland. O cientista, cujos experimentos em câmara de vácuo com raios de elétrons e esferas magnéticas mostravam que tais elétrons era guiados para as regiões polares, propôs por volta de 1900 que os elétrons da aurora são originados de raios solares. Esse modelo possui problema devido à falta de evidências no espaço, tornando-se obsoleto em pesquisas atuais. Birkeland também deduziu em 1908 que as correntes de magnetismo fluíam na direção leste-oeste.
Mais evidências na conexão com com o campo magnético são os registros estatísticos das auroras polares. Elias Loomis (1860) e posteriormente mais detalhadamente Hermann Fritz (1881) estabeleceram que a aurora aparece principalmente em uma região em forma de anel com raio de aproximadamente 2500 km em volta do pólo magnético terrestre. Loomis também foi responsável por descobrir a relação da aurora com a atividade solar, ao observar que entre 20 e 40 horas mais tarde de uma erupção solar, noticiava-se o aparecimento de auroras boreais no Canadá.
Aurora polar produzida em laboratórioOs trabalhos de Carl Stormer no campo do movimento de partículas eletrificadas em um campo magnético facilitaram a compreensão do mecanismo de formação das luzes do norte. A partir da década de 1950 descobriu-se a emissão de matéria pelo Sol, a qual foi chamada vento solar, efeito que também explica o fato das caudas de cometas estarem sempre opostas ao Sol.
Tal teoria foi formulada pelo físico estadunidense Newman Parker em 1957, tendo sido comprovada no ano seguinte pelo satélite Explorer I. A partir de então, a exploração espacial permitiu não somente um aumento do conhecimento sobre as auroras terrestres, mas também a observação do fenômeno em outros planetas como Júpiter e Saturno.
James Van Allen provou, por volta de 1962, ser falsa a teoria que a aurora era o excesso do cinturão de radiação. Ele mostrou que a alta taxa de dissipação da energia da aurora iria rapidamente secar todo o cinturão de radiação. Logo após tornou-se claro que a maioria da energia era composta de cátions, enquanto que as partículas da aurora são quase sempre elétrons com relativa baixa energia.
Em 1972 foi descoberto que a aurora e suas correntes de magnetismo associadas também produzem uma forte emissão de rádio em torno de 150 kHz, efeito observável do espaço somente.
