У приземному шарі атмосфери невелика частина молекул піддається іонізації під впливом космічних променів, випромінювання радіоактивних гірських порід і продуктів розпаду радію (в основному радону) в самому повітрі. В процесі іонізації атом втрачає електрон і набуває позитивний заряд. Вільний електрон швидко з'єднується з іншим атомом, утворюючи негативно заряджений іон. Такі парні позитивні і негативні іони мають молекулярні розміри. Молекули в атмосфері прагнуть групуватися навколо цих іонів. Кілька молекул, які об'єдналися з іоном, утворюють комплекс, званий зазвичай «легким іоном».
В атмосфері присутні також комплекси молекул, відомі в метеорології під назвою ядер конденсації, навколо яких при насиченні повітря вологою починається процес конденсації. Ці ядра є частинки солі і пилу, а також забруднюючих речовин, що надходять в повітря від промислових та інших джерел. Легкі іони часто приєднуються до таких ядер, утворюючи «важкі іони».
Під впливом електричного поля легкі і важкі іони переміщаються з одних областей атмосфери в інші, переносячи електричні заряди. Хоча зазвичай атмосфера не вважається електропровідною середовищем, вона все ж має невелику провідність. Тому залишене на повітрі заряджене тіло повільно втрачає свій заряд.
Провідність атмосфери зростає з висотою через збільшення інтенсивності космічного випромінювання, зменшення втрат іонів в умовах більш низького тиску (і, отже, при більшому середньому вільному пробігу), а також з-за меншої кількості важких ядер. Провідність атмосфери досягає максимальної величини на висоті бл. 50 км, т.зв. «Рівні компенсації».
Відомо, що між поверхнею Землі і «рівнем компенсації» постійно існує різниця потенціалів в кілька сотень кіловольт, тобто постійне електричне поле. З'ясувалося, що різниця потенціалів між деякою точкою, що знаходиться в повітрі на висоті кількох метрів, і поверхнею Землі дуже велика - понад 100 В. Атмосфера має позитивний заряд, а земна поверхня заряджена негативно. Оскільки електричне поле - область, в кожній точці якої є деяке значення потенціалу, можна говорити про градієнті потенціалу. У ясну погоду в межах нижніх кількох метрів напруженість електричного поля атмосфери майже постійна.
Через відмінності електропровідності повітря в приземному шарі градієнт потенціалу схильний добовим коливанням, хід яких істотно змінюється від місця до місця. При відсутності місцевих джерел забруднення повітря - над океанами, високо в горах або в полярних районах - добовий хід градієнта потенціалу в ясну погоду однаковий. Величина градієнта залежить від всесвітнього, або середнього за Гринвічем, часу (Uт) і досягає максимуму в 19 ч.
Е.Еплтон припустив, що цей максимум електропровідності, ймовірно, збігається з найбільшою грозовою активністю в планетарному масштабі. Розряди блискавок під час гроз переносять негативний заряд до поверхні Землі, оскільки підстави найбільш активних купчасто-дощових грозових хмар мають значний негативний заряд. Верхні частини грозових хмар мають позитивним зарядом, який, за розрахунками Хольцера і Саксона, під час гроз стікає з їх вершин. Без постійного поповнення заряд земної поверхні був би нейтралізований за рахунок провідності атмосфери. Припущення про те, що різниця потенціалів між земною поверхнею і «рівнем компенсації» підтримується завдяки гроз, підкріплюється статистичними даними. Наприклад, максимальне число гроз відзначається в долині р. Амазонки. Найчастіше грози бувають там в кінці дня, тобто ок. 19 ч середнього Гринвічем часу, коли градієнт потенціалу максимальний в будь-якій точці земної кулі. Більш того, сезонні варіації форми кривих добового ходу градієнта потенціалу теж знаходяться в повній відповідності з даними про глобальне розподіл гроз. Деякі дослідники стверджують, що джерело електричного поля Землі, можливо, має зовнішнє походження, оскільки електричні поля, як вважають, існують в іоносфері і магнітосфері. Цією обставиною, ймовірно, пояснюється виникнення дуже вузьких видовжених форм полярних сяйв, схожих на лаштунки і арки
Завдяки наявності градієнта потенціалу та провідності атмосфери між «рівнем компенсації» і поверхнею Землі починають рухатися заряджені частинки: позитивно заряджені іони - у напрямі до земної поверхні, а негативно заряджені - вгору від неї. Сила цього струму становить бл. 1800 А. Хоча ця величина здається великою, необхідно пам'ятати, що вона розподіляється по всій поверхні Землі. Сила струму в стовпі повітря з площею підстави 1 м 2 становить лише 410 -12 А. З іншого боку, сила струму при розряді блискавки може досягати декількох ампер, хоча, звичайно, такий розряд має малу тривалість - від часток секунди до цілої секунди або трохи більше при повторних розрядах.
Блискавка представляє великий інтерес не тільки як своєрідне явище природи. Вона дає можливість спостерігати електричний розряд в газовому середовищі при напрузі в декілька сотень мільйонів вольт і відстані між електродами в кілька кілометрів.
У 1750 р Б.Франклин запропонував Лондонському королівському суспільству поставити досвід із залізною штангою, укріпленої на ізолюючому підставі і встановленої на високій башті. Він очікував, що при наближенні грозової хмари до башти на верхньому кінці спочатку нейтральної штанги зосередиться заряд протилежного знака, а на нижньому - заряд того ж знака, що біля основи хмари. Якщо напруженість електричного поля при розряді блискавки зросте досить сильно, заряд з верхнього кінця штанги буде частково стікати в повітря, а штанга придбає заряд того ж знака, що і підстава хмари.
Запропонований Франкліном експеримент не був здійснений в Англії, проте його поставив в 1752 р в Марлі під Парижем французький фізик Жан Д'Аламбер. Він використовував вставлену в скляну пляшку (що служила ізолятором) залізну штангу довжиною 12 м, але не поміщав її на вежу. 10 травня його асистент повідомив, що коли грозову хмару знаходилося над штангою, при піднесенні до неї заземленою дроту виникали іскри.
Більш детальні дослідження блискавок стали можливі в кінці 19 ст. завдяки вдосконаленню методів фотографії, особливо після винаходу апарату з обертовими лінзами, що дозволило фіксувати швидко розвиваються процеси. Такий фотоапарат широко використовувався при вивченні іскрових розрядів. Було встановлено, що існує кілька типів блискавок, причому найбільш поширені лінійні, плоскі (внутріоблачние) і кульові (повітряні розряди). Лінійні блискавки представляють собою іскровий розряд між хмарою і земною поверхнею, наступний по каналу з спрямованими вниз відгалуженнями. Плоскі блискавки виникають всередині грозової хмари і виглядають як спалахи розсіяного світла. Повітряні розряди кульових блискавок, що починаються від грозової хмари, часто спрямовані горизонтально і не досягають земної поверхні.
Розряд блискавки зазвичай складається з трьох або більше повторних розрядів - імпульсів, наступних за одним і тим самим шляхом. Інтервали між послідовними імпульсами дуже короткі - від 1/100 до 1/10 с (цим обумовлено мерехтіння блискавки). В цілому спалах триває близько секунди або менше. Типовий процес розвитку блискавки можна описати таким чином. Спочатку зверху до земної поверхні спрямовується слабо світиться розряд-лідер. Коли він її досягне, яскраво світиться зворотний, або головний, розряд проходить від землі вгору по каналу, прокладеному лідером.
Розряд-лідер, як правило, рухається зигзагоподібно. Швидкість його поширення коливається від ста до декількох сотень кілометрів на секунду. На своєму шляху він іонізує молекули повітря, створюючи канал з підвищеною провідністю, за яким зворотний розряд рухається вгору зі швидкістю приблизно в сто разів більшою, ніж у розряду-лідера. Розмір каналу визначити важко, проте діаметр розряду-лідера оцінюється в 1-10 м, а зворотного розряду - в кілька сантиметрів.
Розряди блискавки створюють радіоперешкоди, випускаючи радіохвилі в широкому діапазоні - від 30 кГц до наднизьких частот. Найбільше випромінювання радіохвиль знаходиться, ймовірно, в діапазоні від 5 до 10 кГц. Такі низькочастотні радіоперешкоди «зосереджені» в просторі між нижньою межею іоносфери і земною поверхнею і здатні поширюватися на відстані в тисячі кілометрів від джерела.
Питання до розділу про сонячно-земних зв'язках:
Що вдає із себе блискавка?
Як виникає атмосферну електрику?