大気電気学
電離層と地球の間の電位差は雷雨により維持され、落雷により大気から地面に負電荷が供給される。
積乱雲内の氷とあられの衝突により、雷の生成に不可欠となる正電荷と負電荷の分離が雲の中で起こる。雷が最初にどのように形成されるかは議論の余地があり、科学者は大気の摂動(風、湿度、大気圧)から太陽風やエネルギー粒子の影響まで根本的な原因を研究している。
平均的な雷は40kAの負の電流を流し(ボルトによっては最大120kAまで)、5クーロンの電荷と500MJのエネルギー、もしくは2か月弱の間100ワットの電球に電力を供給するのに十分なエネルギーを移す。電圧は雷の長さに依存し、大気の絶縁破壊は1メートルあたり300万ボルトで雷は多くの場合数百メートルの長さである。しかし、雷の先導の発展は絶縁破壊の単純な問題ではなく、雷の先導が伝播していくのに必要な周囲電場は絶縁破壊強度よりも数桁小さい場合がある。さらに、よく発展した復帰雷撃のチャネル内の電位勾配は、チャネルイオン化が激しいため1メートルあたり数百ボルト以下であり、結果として100kAの強い復帰雷撃電流に対してメートルあたりメガワットのオーダーの真の出力が得られる。
凝縮してその後雲から凝結する水の量が分かれば、雷雨の総エネルギーを計算することができる。平均的な雷雨では、放出されるエネルギーは約1千万キロワット時(3.6×10ジュール)に達し、これは20キロトンの核弾頭に相当する。大規模で激しい雷雨はエネルギーがこの10~100倍になる可能性がある。
セントエルモの火は接地された物体から発生するコロナ放電によって発光プラズマが生成される電気現象である。球電はセントエルモの火と誤認されることがしばしばあるが、別の現象である。セントエルモの火は「火」と呼ばれるが実際にはプラズマであり、雷雨の時に木や尖塔といった高い物体、もしくは動物の頭の上でブラシもしくは光の星として観察される。
コロナは空気分子をイオン化する議論の物体の周囲の電場により引き起こされ、暗い場所で見やすくなるかすかな光を作り出す。セントエルモの火を起こすにはセンチメートルあたり約1,000 – 30,000ボルトが必要である。しかし、これは物体の構造に依存する。電場は曲率の高い領域により集中するため、尖った点では同じ結果を得るために低い電圧で済み、したがって尖った物体の端で放電が強くなる。セントエルモの火と普通の火花はともに高電圧が期待へ影響を与えるときに生じることがある。セントエルモの火は、雷雨の間に嵐の下の地面が帯電し、雲と地面の間の空気に高電圧がかかっているときに見られる。電圧が空気分子を引き裂き、空気が輝き始める。地球の大気中の窒素と酸素によりセントエルモの火は青や紫の蛍光を発する。これはネオンサインが光るメカニズムに似ている。
1840年代にはKew Observatoryの最初の名誉所長として研究を再開し、そこで初めて電気や関連する気象パラメータの拡張され包括的なデータセットが作られた。さらに地球規模で大気電気の描くことを目標にして、世界中の他の施設へ機器を供給した。ケルビンの新たな水滴収集器と分割リング電位計が1860年代にKew Observatoryに導入され、閉鎖されるまで大気電気学は観測所の専門分野であった。高高度測定では、実験装置を大気中に持ち上げるために凧がかつて使用され、気象気球や軽航空機が依然として使われている。初期の実験者は熱気球に自身で乗り込み空に上がっていた。
Hoffert(1888年)は初期のカメラを用いて雷の個々の下向きの一撃を特定した。熱電子放出にも取り組んだエルスター(英語版)とガイテルは雷雨の電気構造を説明する理論を提案し(1885年)、のちに大気中の陽イオンと陰イオンの存在から大気放射能を発見した(1899年)。ポッケルス(1897年)は玄武岩の雷閃光を分析し(1900年ごろ)、雷による残留磁場を研究することにより雷電流強度を推定した。高感度の電気機器による大気の帯電についての発見と、地球の負電荷がいかに維持されているかについての考えは、主に20世紀に発展し、チャールズ・ウィルソンが重要な役割を果たした。大気電気学に関する現在の研究は、雷、特に高エネルギー粒子と一時的発光事象(transient luminous event)、および気象・気候における雷雨ではない電気過程の役割に主に焦点を当てている。
電気領域層(地表から電離層までの数十km)は、高い導電率を持ち、本質上一定の電位を持つ。電離層は磁気圏の内側境界であり、太陽放射によりイオン化される大気の一部である(光イオン化は、光子が原子、イオン、分子に入射する物理過程であり、1つ以上の電子が放出される)。