夜光云早在120多年前就被人类发现，但我们至今仍无法从科学角度准确解释这一现象。科罗拉多州大学大气科学家加里·托马斯(Gary Thomas)在看到宇航员于空间站拍摄的夜光云照片后说："真的很美。云层的高度非常高，就在太空边缘。"在形成夜光云的高度，大气干燥程度是撒哈拉沙漠的1亿倍。相比之下，常见的高空卷云只能达到11英里(18公里)的高度。托马斯在接受太空网采访时说："我们给出的一个相当合理的解释是，下方的水蒸汽向流动，本质上充当了‘燃料'的作用。"
部分水蒸汽来自热带上升气体，在热带地区，只有极少量水蒸气能够"逃"到远至上层大气的区域。水蒸汽的另一个可能来源就是甲烷氧化。过去100年时间里，甲烷浓度增加了一倍，这可以用来解释过去几十年高空云层发生的部分变化。
1883年，印度尼西亚喀拉喀托超级火山喷发，致使空气中充满大量灰尘并最终出现状况的日落景象。没过几年，人们就第一次发现了夜光云。 1885年7月的一天晚上，英国南安普敦的罗伯特·莱斯利(Robert Leslie)见到了美丽的夜光云，并将这一最新发现刊登在《自然》杂志上。在此之后，夜光云又陆续在北纬度地区--例如斯堪的纳维亚、苏格兰和西伯利亚 --以及更远的南部地区出现。美国的华盛顿和俄勒冈州、土耳其以及伊朗也曾目睹这一奇观。
在极地地区的整个夏季，科学家都能观察到广为分布的夜光云。有些甚至是在"哥伦比亚"号航天飞机发生空难后出现的，当时航天飞机排气装置产生的 400吨水蒸气向南极漂去。在2007年中层大气高空冰探测卫星发射后，夜光云变得越发神秘，当时这颗卫星发现一个由直径不超过30纳米(血红细胞的直径大约在1万纳米左右)的冰晶构成的夜光云。类似的云层似乎只在上层大气停留。托马斯说："冰晶体积太小，不能有效散射光线"
除了发现神秘夜光云外，中层大气高空冰探测卫星也同样发现了夜光云和对流层云(盘旋在地表附近)之间存在极高的相似性，这也就意味着近太空天气的动力学怪异程度可能没有达到不可思议的程度。据研究人员预测，夜光云的形成和扩散与现代气候变化类型有关，但也不排除存在其它因素的可能性，包括甲烷、二氧化碳、上层大气的流星数量，甚至11年的太阳黑子活动周期。托马斯说："我想最终会有一个合理解释的。我们正试图了解夜光云的形成及变化。"
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