Za běžných podmínek pěkného počasí vyvolává radioaktivní záření Země, kosmické záření a pohyb vzduchových hmot vznik nabitých částic vzduchu. Ty se ale neustále spojují v neutrální částice. Některým částicím se podaří uniknout, kladné se shromažďují ve vyšších vrstvách (ionosféra) a záporné u země. Tak se vytvoří rovnovážný stav mezi oběma místy s intenzitou elektrického pole 100 – 200 V/m. Zemský povrch (tvořený převážně výborně vodivou mořskou vodou) a ionosféra představují dvě soustředné kulové plochy, které tvoří elektrody obrovského kulového kondenzátoru. Mezi ionosférou a zemským povrchem je vzdálenost asi 100 km, napětí asi 400 kV, náboj kondenzátoru asi 20 kC. Zároveň mezi deskami protéká ustálený elektrický proud směrem k zemi – kolem 2 kA. Baterií, která udržuje atmosférický proud, je bouřková činnost.
Rozdělení nábojů v oblacích a na Zemi.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Bouřkový oblak má v mezinárodní klasifikaci oblačnosti označení cumulonimbus (Cb), česky dešťová kupa. Cumulonimbus se vytváří postupnou přeměnou běžného cumulu. Ohřátý vzduch stoupá – proudí směrem vzhůru. V atmosféře vznikne výstupný proud teplého vzduchu. Při výstupu vzduchu do vyšších oblastí s nižším tlakem se teplý vzduchu rozpíná a tím i ochlazuje. Po určité době se vzduch ochladí natolik, že kondenzuje a začíná vytvářet oblak. Tak vznikají oblaky typu cumulus, které mají ostré okraje. Změna skupenství uvolňuje další teplo, které dále pohání vzestupný vzdušný proud, který se nazývá konvektivní. Rychlosti konvektivního proudu dosahují až 100 km/h. Vznik takového obra netrvá déle než půl hodiny.
Vznik bouřkového mraku.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Při vhodných podmínkách se horní část cumulu začíná vlivem zamrzání kapek a vodní páry rozmlžovat, oblak se stane buď vláknitým nebo hladkým. Znamená to, že se zde tvoří krystalky ledu a větší vodní kapky. Ty jsou v určité fázi výstupu tak těžké, že začnou padat a při pádu s sebou unášejí část vzduchu – vzniká takzvaný sestupný proud, který s sebou k Zemi přináší jednak kroupy nebo déšť a zároveň chladný vzduch z vyšších částí atmosféry. Bouřky se tedy ohlašují chladnými proudy za jinak vlahého letního počasí. Část vodních par ve vzestupném proudu, která nestihne zkondenzovat, pak tvoří charakteristickou kovadlinu táhnoucí se nad mrakem. Obvykle se tato oblast v horní části oblaku označuje jako dóm.
Pokud při pozorování tohoto oblaku z dálky je horní část zaoblená, plochá a rovná, rozmlžená či vláknitá, tak z něho nelze čekat silnější bouřku. Pokud horní část kumulonimbu je plochá, ale na jednom místě je oblak o něco vyšší a má ostré obrysy téměř jako cumulus (oblak má tzv. výčnělek – přestřelující vrchol), dosahuje oblak obvykle velké srážkové intenzity.
V cumulonimbu tedy vedle sebe proudí velkými rychlostmi vzestupný a sestupný proud. Jak se tyto proudy obsahující vodní páru, kapky a krystalky ledu o sebe třou, tak vznikají ionty. Takový cumulonimbus vlastně funguje jako ohromný elektrostatický generátor. Výsledkem je vznik bouřkových oblaků. Dosáhne–li oblak výšky s teplotou pod 20 °C, začnou se v něm tvořit krystalky ledu a kapičky vody, které padají dolů a strhávají vzduch a oblak se změní ve sloup vířících vzdušných proudů. Všechny pohybující se částice se přitom elektricky nabíjí a oddělují se od sebe.
Existují dvě teorie vzniku elektrického náboje v mracích. První teorie o vzniku náboje mraku se opírá o řadu pozorování a pokusů Phillipa Lenarda. Dokázal, že v oblacích se oddělují záporně nabité kapky od kladně nabitých kapek. Vodní kapky při výstupu pomocí vzdušných vírů a při pádu se třením s molekulami vzduchu zelektrizují. A to tak, že vnitřek kapky je nabitý kladně a povrch záporně. Padající dešťové kapky zachytává vítr a prudkými nárazy je rozbíjí na části. Částečky dešťových kapek, které se odštěpují, jsou nabité záporně a zbývající části kapek kladně.
Rozložení náboje s výškou.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Druhá teorie hovoří o záporných a kladných iontech, které se v mraku shromažďují při kolizích kosmického záření s molekulami vzduchu ve svrchních oblastech atmosféry. Kladné ionty na vrcholku mraku přitáhnou záporné ionty z atmosféry. Záporné ionty se naváží na vodu nebo ledové částečky v mraku a klesnou do jeho spodní části. Tady se akumulují, až vybudují elektrické pole. Jeho působením se kladné ionty "odeženou" do horní části mraku, kde přitáhnou další záporné ionty a postup se znovu opakuje. Tato teorie by mohla vysvětlovat i vznik pozitivně nabitých blesků. Pokud by totiž celý proces v mraku začal ve chvíli, kdy má mrak záporný náboj, bylo by vše obráceně.
