Попытки ученых объяснить грозу как процесс электрического разряда относятся к началу XVIII века. Первую теорию грозы, в основных чертах соответствующую природе явления, дал на основании ряда экспериментальных исследований М.В. Ломоносов. Согласно его представлениям, электризация облаков происходит за счет «трения мерзлых паров о воздух», при этом под «мерзлыми парами» Ломоносов имел в виду лед, а «воздух» понимался им как смесь воздуха, водяного пара и мельчайших водяных капелек. Ломоносов особо подчеркивал, что разделение электрических зарядов и образование сильного электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих течениях.
В настоящее время не решен окончательно вопрос, за счет чего получают заряд капельки воды и кристаллики льда в грозовых облаках. Одна группа ученых считает, что капельки и кристаллы льда захватывают заряд из воздуха, другая – что они заряжаются за счет обмена зарядом при контакте между собой. В результате экспериментальных исследований установлено, что от нижней кромки грозового облака и до слоя с температурой 0°C простирается водная часть облака. В области с температурой от 0°C до – 15°C сосуществуют вода и лед, и при температуре ниже – 15°C облако обычно состоит только из ледяных кристаллов.
Капельная часть облака в основном имеет отрицательный заряд, ледяная – положительный. В средних широтах центр отрицательного заряда грозового облака располагается на высоте около3 км, а центр положительного – примерно на высоте 6 км. Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет 100...300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1 600 вольт/см.
Грозовой процесс невозможен без разделения зарядов в облаке путем конвекции. Поле конвекции в облаках распадается на несколько ячеек (в некоторых грозах до 8). Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. В отдельных случаях скорость восходящих потоков достигает 30 м/сёк, в среднем же она составляет 10...12 м/сек.
Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью (разрядами молний) и выпадением осадков. Такая ячейка имеет горизонтальный диаметр 2...8 км и простирается в высоту до уровня с температурой – 40°C. В стадии затухания во всей конвективной ячейке преобладают слабые нисходящие течения с уменьшением электрической активности и количества выпадающих в единицу времени осадков. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа, длительность стадии зрелости равна 15...30 минутам, стадии затухания – около 30 минут. Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.
Молния представляет собой многократный разряд. Иногда она может состоять из 20 отдельных разрядов, чаще же из 5...6. Паузы между отдельными разрядами составляют от 2 10–3 до 0,5 сек. Средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины. Длительность отдельных разрядов составляет 100...200 микросекунд, иногда доходит до 1 000 микросекунд. Наиболее интенсивным и ветвящимся является первый разряд молнии. Средний заряд грозового облака составляет 30...50 кулонов, однако в одном из случаев отмечался заряд в 164 кулона, который переносился к земле в виде непрерывного и значительной силы тока. В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 кулонов электричества. Диаметр канала молнии составляет 10...45 см. Максимальный ток в канале может достигать величины в 340 000 ампер, однако в большинстве случаев наблюдаются токи, в сотни раз меньшие.
Большинство молний приносит к Земле отрицательный заряд, но иногда встречаются разряды и противоположной полярности. В первом случае грозы значительно богаче молниями, чем во втором. Отношение количества молний отрицательной полярности к молниям положительной полярности для зон умеренного климата составляет примерно 4: 1, для тропиков – 17:1. Отношение отрицательных разрядов к положительным для молний, поражающих высокие здания, больше, чем для разрядов в равнинной местности.
В зонах умеренного климата разряды молний направляются по преимуществу к Земле, в тропиках же большинство разрядов происходит между облаками или внутри облака. Средняя длина молнии 2...3 км, но изредка между облаками могут проскакивать молнии длиной несколько более 20 км. Разность потенциалов между грозовым облаком и Землей в верхнем пределе достигает 1 миллиарда вольт.
Площадь земной поверхности, на которой проявляются связанные с отдельной грозой электрические явления, простирается от 4 до 80 км2. Благодаря проводимости воздуха к земной поверхности на этой площади от облака поступает ток около 0,5 ампера, иногда до 2 ампер.
При прохождении гроз из острий растительного покрова, через острые выступы скал и остроконечные детали сооружений на земной поверхности в воздух стекает преимущественно положительный заряд. Потеря земной поверхностью положительного заряда превышает потерю отрицательного: для Англии в 1,36...2 раза, для Южной Африки – в 2,8 раза. В высокогорных условиях вследствие разреженности воздуха разряд с острий значительно интенсивнее, чем в равнинной местности. Через изолированно стоящее на равнинной местности дерево во время грозы проходит ток порядка 0,1...0,07 микроампера, а через антенну длиной 900 м. со средней высотой над земной поверхностью 30...40 м и с диаметром проводов 7 мм в горной местности может проходить ток около 500...800 микроампер. Наибольший разрядный ток у земной поверхностн был зарегистрирован с металлического острия длиной 15 мм и диаметром 0,5 мм, помещенного на семнадцатиметровую мачту: при градиенте потенциала у земли в 12,5 кв/м разрядный ток составлял 9,6 микроампера.
При сильных грозах почти всегда выпадает град, однако он никогда не выпадает на всем пространстве, где наблюдается грозовая деятельность. Град возникает благодаря замерзанию облачных капель. Среди процессов, которые влияют на рост градин, важнейшим является слияние замерзших облачных капель с переохлажденными жидкими. Вес наиболее крупных градин может достигать 10 кг, диаметр – 30 см. Однако градины диаметром более 1 см встречаются редко. Выпадение града обычно длится 2...4 минуты, в горных же условиях иногда наблюдается выпадение града в течение 50 минут. Чаще всего град выпадает в центре грозы. По СССР увеличение годового числа дней с градом наблюдается в районе возвышенностей (вплоть до высот 2...2,5 км). Над крупными водоемами вероятность выпадения града уменьшается за счет ослабления здесь конвекции.
Учитывая, что на Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, можно подсчитать среднюю мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз; она равняется 1018 эрг/сек. В связи с этим следует отметить, что энергия конденсации, выделяющаяся в грозовом облаке средних размеров с площадью основания около 30 км2 при дожде средней интенсивности, составляет около 1021 эрг. Таким образом, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.
Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются ракетообразная, четочная и шаровая молнии. Ракетообразная молния наблюдается очень редко. Она длится 1...1,5 сек и представляет собой медленно развивающийся между облаками разряд. К весьма редким видам молнии следует отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 сек и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 см. Весьма своеобразным видом молнии является и шаровая молния. В большинстве случаев шаровая молния представляет собой сферическое (реже грушевидное) образование диаметром у земной поверхности 10...20 см, а на высоте облаков до 10 м. Возникает шаровая молния не обязательно вблизи канала линейной молнии, но при всех обстоятельствах появление шаровой молнии связано с прохождением грозы над местностью.
Существует две разновидности шаровых молний – подвижные и неподвижные. Подвижные шаровые молнии плавают в воздухе со скоростью около 2 м/сек, иногда со скоростью воздушных течений, неподвижные же «закрепляются» на остриях молниеотводов, на острых краях металлических крыш, в верхней части заводских труб. Подвижные молнии светятся красноватым светом, в то время как неподвижные испускают ослепительно белый свет. Подвижные молнии могут оседать и становиться неподвижными, а неподвижные, наоборот, срываться с мест закрепления и становиться подвижными. Большая шаровая молния может иногда распасться на несколько светящихся шаров меньшего размера. О температуре шаровой молнии можно судить по расплавлению и испарению металлов, на которые она «садится», или по сильному нагреванию воды, если молния опускается в водоем. Длительность существования шаровой молнии изменяется в пределах от нескольких секунд до полминуты. Шаровая молния сопровождается свистом, завыванием, жужжанием, шипением и потрескиванием, ее исчезновение в большинстве случаев происходит со взрывом. Мощность взрыва достаточна, чтобы разрушить большую печную трубу, разбить на кусочки кирпичи здания. Иногда шаровая молния исчезает бесшумно. Обычно после ее исчезновения в помещении остается некоторое время остро пахнущая дымка, голубая в отраженном свете и коричневая в проходящем.
