thumb|250px|right|Relámpago de nube a tierra en el circuito eléctrico global de la atmósfera. Este es un ejemplo de plasma presente en la superficie de la Tierra. Normalmente, los relámpagos descargan sobre 30.000 amperios, hasta unos 100 millones de Volts (Voltios), y emiten luz, ondas de radio, rayos X, e incluso rayos gamma.Ver Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning. Las temperaturas del plasma en un rayo puede acercarse a los 28.000 kelvin y las densidades electrónicas pueden superar el 1024/m³.
La electricidad atmosférica es la variación diurna de la red electromagnética de la atmósfera (o, más general, cualquier sistema eléctrico en la atmósfera de un planeta). La superficie de la Tierra, la ionosfera, y la atmósfera se conocen como el “circuito eléctrico atmosférico mundial”. El estudio de la electricidad atmosférica es un tema multidisciplinar con una larga historia, que comprende conceptos de electrostática, física atmosférica, meteorología y ciencias de la Tierra.
Siempre hay electricidad libre en el aire y en las nubes, que actúan por inducción sobre la tierra y los dispositivos electromagnéticos.Richard Spelman Culley, A Handbook of Practical Telegraphy. Longmans 1885. Page 104 Los experimentos han demostrado que siempre hay electricidad libre en la atmósfera, la cual es unas veces negativa y otras veces positiva, pero la mayoría de las veces es en general positiva, y la intensidad de esta electricidad libre es mayor a mediodía que por la mañana o la noche y es mayor en invierno que en verano. Con buen tiempo, el potencial aumenta con la altitud en una tasa, de acuerdo con algunos autores, de alrededor de 100 voltios por metro.
El medio atmosférico, por el que estamos rodeados, no solo contiene electricidad combinado, como cualquier otra forma de la materia, sino también una cantidad considerable en estado libre y sin combinar, a veces de un tipo, a veces de otro; pero como regla general es siempre de naturaleza opuesta a la de la tierra. Diferentes capas o estratos de la atmósfera, situadas a muy corta distancia unos de otros, se encuentran frecuentemente en diferente estado eléctrico.Golding Bird, Elements of Natural Philosophy, Atmospheric electricity. Lea and Blanchard 1848. Página 204. El fenómeno de la electricidad atmosférica puede ser de tres tipos. Está el fenómeno eléctrico de las tormentas y el fenómeno de la electrificación continua en el aire, y el fenómeno de la aurora polar constituye el tercer tipo.Silvanus Phillips Thompson, Elementary Lessons in Electricity and Magnetism. 1915.
La mayoría de las autoridades están de acuerdo, sin embargo, que sea cual sea el origen de la electricidad libre en la atmósfera la electricidad de enormes tensiones que disrumpe el aire y produce el fenómeno del rayo se debe a la condensación del vapor de agua que forma las nubes; cada pequeña gota de vapor mientras se mueve por el aire recoge en su superficie una cierta cantidad de electricidad libre. Entonces, como las gotas de vapor se funden en gotas más grandes con la correspondiente disminución de la superficie total expuesta, el potencial eléctrico aumenta hasta que se sobrepasa la resistencia del aire. Esta observación puede ser entendida más claramente cuando se considera que con una determinada carga eléctrica su potencial aumenta cuando la capacidad eléctrica del objeto disminuye, como es el caso que ocurre cuando las diminutas gotas de vapor se unen en grandes gotas. La similitud del rayo con la electricidad desarrollada por una máquina eléctrica fue demostrada por Franklin en sus memorables experimentos con cometas.
Historia
La detonación de las chispas procedentes de máquinas eléctricas y de botellas de Leyden sugirió a los primeros experimentadores, Hauksbee, Newton, Muro, Nollet, y Gray, que los rayos y truenos eran debidos a descargas eléctricas. En 1708, el teólogo William Wall fue uno de los primeros en observar que las descargas de chispas se parecían a un rayo en miniatura, después de observar las chispas de una pieza de ámbar cargada.
A mediados del , los experimentos de Benjamin Franklin mostraron que los fenómenos eléctricos de la atmósfera no eran fundamentalmente diferentes de los producidos en el laboratorio. En 1749, Franklin observó que el rayo posee casi todas las propiedades observables en las máquinas eléctricas y en julio de 1750, elaboró la hipótesis de que la electricidad podría ser tomada de las nubes a través de una alta antena de metal con una punta afilada. Antes de que Franklin realizara su célebre experimento en 1752, Thomas-François d'Alibard erigió una barra de hierro de 40 m de alto en Marly-la-Ville, cerca de París, dibujando chispas desde una nube que pasaba. Con antenas aisladas del suelo, un investigador podría aportar un camino a tierra con un tirador aislado con cera cerca de la antena, y observar una descarga de chispa desde la antena al cable de tierra. En mayo de 1752, d'Alibard afirmó que la teoría de Franklin era correcta.
Franklin listó las siguientes similitudes entre la electricidad y el relámpago: producen de luz de un color similar; movimiento rápido; son conducidos por los metales, el agua y el hielo; funden metales y encienden sustancias inflamables; olor "sulfuroso" (que ahora se sabe que es debido al ozono); magnetizan agujas; la similitud entre el fuego de San Telmo y el resplandor de la descarga.
Alrededor de junio de 1752, Franklin informó de su famoso experimento realizado con la cometa. El experimento de la cometa fue repetido por Romas, que señaló chispas procedentes de una cadena metálica de 2,7 m de largo, y por Cavallo, quien hizo muchas observaciones importantes sobre la electricidad atmosférica. L.G. Lemonnier (1752) también reprodujo el experimento de Franklin con una antena, pero sustituyó el cable de tierra con algunas partículas de polvo (atracción testigo). Continuó el documento de la electrificación de la atmósfera en un día claro y la variación diurna de la electricidad de la atmósfera. G. Beccaria (1775) confirmó los datos de variación diurna de Lemonnier y determinó que la polaridad de la carga de la atmósfera era positiva con buen tiempo. H.B. Saussure (1779) registró datos relativos a la carga inducida en un conductor en la atmósfera. El instrumento de Saussure (que contenía dos pequeñas esferas suspendidas en paralelo con dos cables finos), fue un precursor del electrómetro. Saussure encontró que la condición de buen tiempo tenía una variación anual. Saussure también encontró que había una variación con la altura. En 1785, C.A. Coulomb descubrió la conductividad del aire. Su descubrimiento era contrario a la idea que prevalecía en ese momento de que los gases atmosféricos eran aislantes (que lo son en cierta medida, o al menos no muy buenos conductores cuando no están ionizados). Por desgracia, su investigación fue completamente ignorada. P. Erman (1804) teorizó que la Tierra estaba cargado negativamente. J.C.A. Peltier (1842) probó y confirmó la idea de Erman. Lord Kelvin (1860) propuso que las cargas positivas de la atmósfera explicaban la “condición de buen tiempoy, más tarde, reconoció la existencia de campos eléctricos atmosféricos.
En el curso del siguiente siglo, utilizando las ideas de Alessandro Volta y Francis Ronald, varios investigadores contribuyeron al creciente cuerpo de conocimientos sobre los fenómenos atmosféricos eléctricos. Con la invención del electrómetro portátil se introdujo un mayor nivel de precisión en los resultados observacionales. Hacia el final del llegó el descubrimiento por W. Linss (1887) de que incluso los conductores más perfectamente aislados perdían su carga, como Coulomb antes que él ya había encontrado, y que esta pérdida dependía de las condiciones atmosféricas. H. H. Hoffert (1888) identificó rayos individuales que caían hacia abajo usando la cámara rápida e informó de ello en "Relámpagos intermitentes". J. Elster y H.F. Geitel, quien también trabajó en emisión termoiónica, propuso una teoría para explicar la estructura de las tormentas eléctricas (1885) y, más tarde, descubrió la radiactividad atmosférica (1899). Para entonces ya había quedado claro que los iones positivos y negativos libremente cargados están siempre presentes en la atmósfera, y que las emanaciones radiantes podrían ser recogidos. F. Pockels (1897) estimó la intensidad de la corriente de los rayos mediante el análisis de los relámpagos en el basalto y estudiando los restos de los campos magnéticos (el basalto, que es un mineral ferromagnético, queda penetrado magnéticamente cuando se expone a un campo externo intenso como los generados en un rayo).
Usando un “electrómetro Peltier”, Luigi Palmieri investigó la electricidad atmosférica. Nikola Tesla y Hermann Plauson investigaron la producción de energía y potencia a través de la electricidad atmosférica. Tesla también propuso utilizar el circuito eléctrico de la atmósfera para transmitir energía de forma inalámbrica a grandes distancias (véase su torre Wardenclyffe y su transmisor amplificador). La estación polar polaca, Hornsund ha investigado la magnitud del campo eléctrico de la Tierra y registrado su componente vertical. Los descubrimientos sobre la electrificación de la atmósfera a través de instrumentos eléctricos sensibles y las ideas sobre cómo se mantiene la carga negativa de la Tierra se han desarrollado principalmente en el . Mientras que una cierta cantidad de trabajo observacional se ha realizado en las ramas de la electricidad atmosférica, la ciencia no se ha desarrollado en una medida considerable. Se piensa que cualquier aparato que pueda utilizarse para extraer energía útil a partir de la electricidad atmosférica sería prohibitivamente costoso de construir y de mantener, lo que es probablemente el motivo por el que este campo no haya atraído mucho interés.
Descripción
La electricidad atmosférica abunda en el medio ambiente, y algunos indicios de ello se encuentran a menos de un metro de la superficie de la Tierra, pero al aumentar la altura se hacen más evidente. La idea principal es que el aire sobre la superficie de la tierra está por lo general, durante el buen tiempo, electrificado positivamente, o al menos es positivo con respecto a la superficie terrestre (la superficie de la Tierra es relativamente negativa). Además, la presencia de las acciones eléctricas en la atmósfera, debido a la acumulación de enormes cargas estáticas de corriente generada probablemente por la fricción del aire sobre sí mismo, puede dar cuenta de los diversos fenómenos del rayo y de las tormenta s.Victor Lougheed, Vehicles of the Air: A Popular Exposition of Modern Aeronautics with Working. The Reilly and Britton Co. 1909. Otras causas que producen electricidad en la atmósfera son, la evaporación desde la superficie de la Tierra, los cambios químicos que tienen lugar sobre la superficie de la Tierra, y la expansión, la condensación, y la variación de la temperatura de la atmósfera y de la humedad contenida en él.David Ames Wells, Wells's Natural Philosophy, Atmospheric electricity. Ivison, Blakeman, Taylor & co. 1876. Página 392.