Zorza polarna, którą bardziej poprawnie nazwano by zorzą polarną, ponieważ występuje w rejonach polarnych Ziemi, jest jednym z najpiękniejszych zjawisk przyrodniczych. Istota tego zjawiska polega na tym, że wiatr słoneczny odchylany przez ziemskie pole magnetyczne w kierunku biegunów zderza się z atomami gazów w ziemskiej atmosferze. W tym zderzeniu atom gazu przechodzi w stan wzbudzony i uwalnia energię w postaci fotonu - cząstki, która nie ma masy i nie ma ładunków. To właśnie te fotony wywołują efekt zorzy polarnej.
Im głębiej naładowane cząstki wiatru słonecznego wnikają w atmosferę ziemską, tym częściej zderzają się z atomami, ponieważ koncentracja atomów gazu wyraźnie wzrasta w miarę zbliżania się do powierzchni Ziemi. W związku z tym silniejsza i dłuższa będzie zorza polarna.
Kolor zorzy zależy od dwóch czynników: wysokości, na której nastąpiło zderzenie; rodzaj gazu, którego atom osiągnął stan wzbudzony. Na przykład, jeśli kolor jest czerwony lub zielony, oznacza to, że cząstki wiatru słonecznego weszły w kontakt z atomami tlenu. W związku z tym kolor czerwony oznacza, że działo się to na dużej wysokości (ponad 200 kilometrów nad Ziemią), a zielony - na średnich wysokościach (od 100 do 200 kilometrów). Jeśli kolor jest niebieski lub fioletowy, oznacza to, że atomy azotu weszły w stan wzbudzony. Fotony powstałe w wyniku wzbudzenia atomów innych gazów są prawie nie do odróżnienia, ponieważ azot i tlen są najmasywniejszymi składnikami ziemskiej atmosfery.
Różnicę kolorów wytwarzanych przez fotony wzbudzonych atomów tlenu wyjaśnia następujący wzór. Jeśli zderzający się atom tlenu nie zderzy się z innym atomem tlenu w ciągu jednej sekundy, wyemituje zielony foton. Jeśli ta kolizja nie nastąpi w ciągu pełnych dwóch minut, wyemituje czerwony foton. Ale w przypadku, gdy zderzenie nastąpi szybciej niż sekundę, w ogóle nie powstaje foton. Łatwo zrozumieć, że czerwony kolor pojawi się dopiero na wysokościach powyżej 200 kilometrów, gdzie koncentracja atomów jest znikoma, a ich zderzenia rzadko zdarzają się. Cóż, na wysokości mniejszej niż 100 kilometrów zderzenia zdarzają się tak często, że wzbudzony atom tlenu nie ma czasu pozostać nietkniętym nawet przez sekundę i nie powstaje żaden foton.
Oczywiście im silniejsze zakłócenia w atmosferze słonecznej, tym silniejsze są strumienie wiatru słonecznego. Dlatego na słysząc o kolejnym rozbłysku słonecznym mieszkańcy regionów polarnych na półkuli północnej, a także zimowcy na Antarktydzie muszą być przygotowani: po chwili zobaczą szczególnie silną i piękną zorzę polarną.
