De atmosfeer bestaat vooral uit moleculen stikstof (N₂) en zuurstof (O₂). Ieder van deze moleculen bestaat uit twee atomen die aan elkaar verbonden zijn.

Onder invloed van bijvoorbeeld een voorbijvliegend geladen deeltje kan een elektron van een atoom een beetje energie extra krijgen, en een hogere mogelijke energiewaarde aannemen. Vervolgens zal dat elektron deze energie weer afstaan om in een lagere energietoestand terecht te komen. Deze energie wordt gegeven aan een foton, een lichtdeeltje, en de kleur die uitgezonden wordt is karakteristiek voor het type atoom.

De kleuren die zichtbaar zijn bij het noorderlicht zijn karakteristiek voor stikstof en zuurstof. Hieruit volgt dat er grote hoeveelheden geladen deeltjes energie afstaan aan de atmosfeer, die een deel van die energie omzet in licht. Het noorderlicht laat dus zien dat de atmosfeer energie van kosmische stralen kan opnemen, waardoor de totale hoeveelheid energie die het aardoppervlak bereikt minder wordt. De atmosfeer beschermt ons dus tegen straling van boven.