В конце 19 — начале 20 вв. норвежские учёные К. Биркеланн и К. Стёрмер высказали и развили идеи о солнечном происхождении частиц, вызывающих П. с. Последующие исследования показали, что как частота появления, так и интенсивность П. с., особенно в средних широтах, явно коррелируют с активностью Солнца. П. с. имеют удивительно разнообразные формы сияний и ситуаций. Однако каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накладывающихся друг на друга элементарных форм сияний, которые в первом приближении можно подразделить на: однородные дуги и полосы (рис. 2 , а, б), тянущиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии; лучистые формы со значительной вертикальной протяжённостью (рис. 2 , б, в, г); диффузные и неправильные пятна (рис. 2 , д); большие однородные диффузные поверхности. Пространственно П. с. во многих случаях располагаются вдоль геомагнитных силовых линий. Средняя толщина лучистых форм ~ 200 м и уменьшается с увеличением яркости.

  Исследование спектра П. с. было начато А. Ангстремом в 1869. В 1924 Дж. Мак-Леннан и Г. Шрам (Великобритания) показали, что зелёная линия с длиной волны l = 5577

 излучается атомарным кислородом. Атомарный кислород образует также линии красного дублета 6300—6364  на высоте 200—400 км (сияния типа А ). Состояния, соответствующие этим излучениям, являются метастабильными, и время жизни возбуждённых атомов 0,74 и 110 сек. Начиная с 50-х гг. 20 в. спектр П. с. исследовался в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Помимо атомарных линий, спектр П. с. состоит из систем полос нейтрального и ионизованного молекулярного азота и кислорода. Излучение с l = 3914  ионизованного азота наряду с l = 5577  является самым ярким в видимой части спектра от 3800 до 7000 . Поскольку максимальная спектральная чувствительность человеческого глаза приходится на l ~ 5550 , то П. с. кажутся нам в большинстве случаев бледно-зелёными. Некоторые П. с. характеризуются пурпурно-красной границей вследствие излучения полос нейтрального молекулярного азота. П. с. с развитыми системами молекулярных полос относятся к типу В.

  Вторжения протонов с энергиями 10—100 кэв приводят к появлению в спектре П. с. линий Бальмера серии (Л. Вегард, Норвегия, 1939; А. Б. Мейнел, США, 1950). Наиболее интенсивна линия Н_a с l = 6563

. Водородные линии отличаются от других тем, что они существенно расширены и при наблюдениях в направлении зенита оказываются смещенными в область более коротких волн. Это доплеровское смещение (см. Доплера эффект ) водородных линий было первым доказательством того, что излучение П. с., хотя бы частично, обусловлено вхождением в земную атмосферу потоков заряженных частиц. Свечение, связанное с протонами, имеет вид протяжённой в несколько сот км по широте и несколько тысяч по долготе слабой полосы. В П. с. иногда наблюдаются спектральные линии гелия.

  Спектр П. с. меняется с широтой. В средних широтах обычно преобладают красные сияния типа А, на широтах зоны П. с. — сияния типа В, а в полярной шапке — сияния типа А. В приполюсной области после интенсивных хромосферных вспышек на Солнце возникает равномерное «свечение полярной шапки» с l = 3914

, которое обусловлено непосредственным вхождением солнечных протонов с энергией 1—100 Мэв, проникающих до высот 20—100 км. Интенсивность П. с. измеряется в т. н. международных коэффициентах яркости (IBC) или в баллах. Установлено 4 балла, отличающихся по яркости на порядок: П. с. I балла равно яркости Млечного Пути и соответствует излучению 10² квантов/см² ×сек с l = 5577 , или 1 крэлею , а IV — полной Луне, т. е. излучает 10¹² квантов/см² ×сек с l = 5577 , т. е. 1000 крэлеев .

  Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих П. с., есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становится асимметричной, вытягиваясь в антисолнечном направлении (рис. 3 ). П. с. на ночной стороне Земли связаны с процессами в плазменном слое магнитосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3—5 радиусов Земли образуется кольцевой ток протонов. Магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы, и П. с. наблюдаются значительно ближе к экватору, чем район их обычного существования. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями (дневной касп). Последовательность форм П. с. и их движений находится в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, — магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Возвращение в состояние с меньшей энергией носит взрывной характер и сопровождается высвобождением за 1 ч энергии ~ 10²² эрг, что вызывает свечение атмосферы — т. н. авроральную суббурю.

  При взаимодействии быстрых электронов с атомами и молекулами атмосферы образуются рентгеновские лучи как тормозное излучение электронов. Тормозное излучение гораздо более проникающее, чем частицы, поэтому оно достигает высот 30—40 км. П. с. испускают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 сек, которые сопровождаются колебаниями атмосферного давления с амплитудой от 1 до 10 дин/см² .

  Изучение П. с. имеет два существенно различных аспекта. Во-первых, оптическое излучение, являясь одним из конечных результатов процессов в пространстве между Землёй и Солнцем, может служить источником информации о процессах в околоземном космическом пространстве, в частности для диагностики магнитосферы. Во-вторых, по данным об оптическом излучении можно судить о воздействии первичного потока частиц на ионосферу. Такие исследования необходимы в связи с проблемой распространения радиоволн и др. явлениями в радиодиапазоне [появлением спорадических слоев Е, рассеянием радиоволн, возникновением ОНЧ-излучения (см. Радиоволны ) и радиошумов]. Наблюдения П. с. с использованием телевизионной техники позволили установить сопряженность П. с. в двух полушариях, исследовать быстрые изменения и тонкую структуру П. с. Не все проблемы, связанные с П. с., могут быть решены наземными средствами или наблюдениями естественных П. с. Появление спутников и ракет позволило проводить изучение П. с. в тесной связи с исследованиями околоземного космического пространства и ставить прямые эксперименты во внешней атмосфере Земли и межпланетном пространстве. Так, США в 1969, СССР в 1973 и СССР совместно с Францией в 1975 провели эксперименты по созданию искусственных П. с., во время которых с ракеты на высоте в несколько сот км инжектировался в атмосферу пучок электронов высоких энергий. Проведение контролируемых экспериментов совместно с наземными наблюдениями открывает новые пути в исследовании П. с. и процессов в верхней атмосфере. В 1971—1972 измерения интенсивности отдельных эмиссий и фотографирование П. с. начато из космоса со спутников на полярных орбитах, что позволяет получать распределение свечения во всей области высоких широт за несколько минут.