极光在不同的环境、不同的气候、不同的时间会呈现多种色彩的变幻，科学家发现，极光呈现的颜色是由以下四个因素决定的：(1)入射粒子的能量;(2)大气中的原子和分子在不同高度的分布状况;(3)大气中原子和分子本身的特性;(4)大气的密度不均匀，基本上越接近地表密度越高。
入射粒子的能量高低决定了粒子能够冲入大气的深度，因此决定了极光产生的高度;而大气成分随高度的变化决定了入射粒子可能会撞击到哪种原子或分子，因此决定了可能发出的极光波长。为什么极光能呈现出各种各样的色彩?大气粒子本身的特性也很重要，这些特性直接决定所发出光的颜色。另外，大气密度也会影响极光的颜色。由于高层大气密度较低，发光的过程不会受到原子和分子彼此碰撞的干扰。不过，距离地表越近，大气密度越高，分子之间的撞击较为频繁，这会使得某些波长的光不容易产生。
决定极光颜色的主要因素之一，就是不同种类分子在大气中的垂直分布状况。接近地表处，大气的组成十分均匀，78%是氮分子，21%氧分子，这样的组成直到高度约100公里为止都是如此。在更高之处，来自太阳的高能紫外线会将大气分子分解成原子，不同种类的原子受到重力影响而产生不同的分布，较轻的原子会分布在上层。
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