Полярное сияние — повышенная эмиссия верхней атмосферы и сопровождающий её комплекс явлений. Полярное сияние возникает при вторжении в земную атмосферу энергичных протонов и электронов, а также при быстрых колебаниях интенсивности геомагнитного поля (генерации магнитогидродинамических волн, поглощаемых в ионосфере). Во время полярных сияний наблюдается повышение ионизации в нижней ионосфере.

Известно 3 основных типа полярных сияний, которые могут в той или иной мере сопровождать друг друга. Полярные сияния первых двух типов вызываются вторжением в земную атмосферу на высоте 100—200 км огромных количеств электронов с энергией в несколько кэВ (1-й тип) и протонов с энергией в сотни эВ (2-й тип), которые приводят к возникновению в области E ионосферы сильной, весьма неоднородной ионизации, а также интенсивным эмиссиям нейтральных и ионизированных молекул и атомов атмосферы. Полярные сияния 3-го типа вызываются интенсивным разогревом верхней атмосферы магнитогидродинамическими волнами при относительно небольшой интенсивности вторгающихся малоинтенсивных протонов и электронов и слабыми эмиссиями, создаваемыми этими частицами. Преобладающим излучением в полярных сияниях этого типа является эмиссия атомарного кислорода на длине волны 6,3×10^–7 м. Во всех случаях на высоте ниже 100 км в область D ионосферы проникают электроны с энергией в несколько десятков кэВ, они создают там повышенную ионизацию, сопровождаемую интенсивным поглощением радиоволн. В первых двух случаях максимальное вторжение заряженных частиц происходит вблизи 67° геомагнитной широты. Эта область называется зоной полярных сияний и имеет овальную форму. Полярные сияния 3-го типа наблюдаются на значительно более низких геомагнитных широтах. Иногда в околополюсные области выше 67° геомагнитной широты через несколько десятков минут после солнечных хромосферных вспышек в слой D ионосферы проникают протоны и электроны с энергией в несколько МэВ, увеличивая там ионизацию, сопровождаемую поглощением радиоволн; это так называемое полярное сияние в приполюсной области. В результате процессов, происходящих во время полярных сияний, в верхней атмосфере возникает перенос воздушных масс в сторону экватора.

Формы свечения, наблюдаемые визуально, зависят от типа полярного сияния. Наибольшее многообразие форм наблюдается в полярных сияниях 1-го типа. Длительность полярных сияний — от десятков минут до нескольких суток. Природа полярных сияний интенсивно исследуется наземными и космическими средствами. Большой вклад в изучение природы полярных сияний внесли советско-французские исследования на искусственных спутниках Земли «Ореол-1, -2, -3», а также эксперименты по программе АРАКС по вызыванию искусственных полярных сияний.