Sončni izbruhi so intenzivne eksplozije na Soncu, ki sprostijo ogromne količine energije. Med takimi izbruhi se izseva tudi veliko nabitih delcev, zlasti protonov in elektronov. Ti delci nato potujejo skozi vesolje proti Zemlji, kar običajno traja od dva do tri dni, odvisno od hitrosti sončnega vetra.
Ko delci dosežejo Zemljo, jih Zemljino magnetno polje preusmeri proti polarnim območjem, kjer se spustijo proti atmosferi. Ko visokoenergijski delci s Sonca vstopijo v Zemljino ozračje, trčijo ob molekule in atome, kot sta kisik in dušik, ter prenesejo svojo energijo na te atome in molekule.
Če elektron ali proton trči z atomom kisika ali dušika, lahko del svoje kinetične energije prenese na elektron v atomu ali molekuli. Ta prenos energije lahko povzroči, da se elektron v atomu premakne iz nižje energetske ravni (orbite) na višjo energetsko raven. Stanje, ko je elektron na višji energetski ravni, imenujemo vzbujeno stanje.
Ker vzbujeno stanje ni stabilno, se elektron v atomu kmalu vrne na svojo prvotno nižjo energetsko raven. Ko se to zgodi, se sprosti energija, ki je enaka razliki med vzbujenim in prvotnim stanjem. Ta energija se sprosti v obliki fotonov, torej svetlobe. Barva svetlobe (ali valovna dolžina fotonov) je odvisna od razlike v energiji med dvema energetskima ravnema elektronov v atomu.
Barve severnega sija (aurora borealis), ki jih vidimo na nebu, so posledica različnih vzbujenih stanj atomov kisika in dušika v Zemljini atmosferi. Najpogostejša barva severnega sija je zelena. Ta nastane, ko se atomi kisika vzbudijo in nato vrnejo na nižjo energetsko raven. Proces se običajno odvija na višinah med 100 in 300 km nad Zemljo.
Rdeča barva severnega sija je običajno manj intenzivna in se pojavlja višje v atmosferi kot zelena. Rdeča svetloba nastane zaradi drugačnega prehoda v atomih kisika, in sicer na večji višini (nad 300 km). Modra in vijolična barva pa nastaneta, ko se vzbudijo molekule dušika.
Intenzivnost in barve severnega sija so tako odvisne od vrste atomov ali molekul, ki se vzbudijo, ter od njihove koncentracije in porazdelitve v atmosferi.
