Северное, или полярное, сияние возникает в приполярных областях в периоды геомагнитной активности, то есть когда магнитное поле Земли, которое имеет обычно форму диполя, возмущается солнечной активностью, в частности изменяющимся солнечным ветром или выбросами массы, идущими от Солнца. Бывает, что Земля попадает в сектор высокоскоростного потока солнечного ветра, который исходит из коронарных дыр на Солнце. Это также приводит к возмущениям магнитного поля Земли и характеризуется повышенной геомагнитной активностью или магнитными бурями. В магнитосфере находятся частицы высоких энергий, которые заполняют так называемые радиационные пояса — это магнитные петли (арки), находящиеся на определенном расстоянии от поверхности Земли.Представим, что мы стоим на экваторе и смотрим вверх. От Северного к Южному полюсу как бы проходит арка магнитного поля. Поэтому над нами, если мы стоим на экваторе, поле как бы горизонтальное, оно идет параллельно поверхности Земли. А если мы начинаем двигаться к полюсу, то здесь магнитное поле входит в Землю. То есть это такая магнитная арка, которая связывает Северный и Южный полюсы. Заряженные частицы — электроны и протоны — могут распространяться только вдоль поля, вращаясь по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, поэтому они распространяются от одного полюса к другому в результате отражения от магнитных пробок — сгущений магнитного поля вблизи полюсов. Частицы двигаются вдоль магнитной арки до магнитной пробки на Северном полюсе, отражаются, идут вдоль арки назад, доходят до южной пробки, опять отражаются и идут на север.
Когда магнитное поле возмущается, то в полярных областях эти пробочные условия изменяются, и энергичные магнитосферные частицы начинают проникать более глубоко, на меньшие высоты, доходя до атмосферы, и там сталкиваются с атомами атмосферного газа — атомами кислорода, азота и так далее. Это так называемое явление высыпания частиц. При этом столкновении частиц происходит возбуждение атомов, в результате чего возникает свечение — испускание атомами квантов света той или иной длины волны. В результате возникает такое красочное свечение разных цветов: зеленого, красного, фиолетового и так далее. Это происходит в полярных областях, где силовые линии магнитного поля входят в атмосферу, и область свечения в планетарном масштабе имеет форму овалами с центром вблизи магнитного полюса, этот овал называют овалом полярных сияний. Эти свечения происходят регулярно в периоды магнитных бурь и повышенной геомагнитной активности. Иногда они спускаются в область средних широт и даже ниже. Например, в октябре–ноябре 2003 года в период повышенной солнечной активности и мощных магнитных бурь эти сияния были видны в Москве и даже с широты города Одессы, но такие события бывают редко.
Интенсивность сияния зависит от амплитуды геомагнитного возмущения, то есть от того, насколько сильно возмущается магнитное поле Земли. Чем сильнее оно возмущается, тем глубже могут проникать эти частицы в атмосферу, тем больше область широт на юг, в которой происходит высыпание частиц. Интенсивность также зависит от того, насколько радиационные пояса заполнены энергетическими частицами. Источниками таких частиц является магнитосфера Земли и солнечный ветер.