Numa tempestade elétrica, as nuvens de tempestade estão carregadas como capacitores gigantes no céu. A parte superior da nuvem é positiva e a inferior negativa. Ainda não se entrou num acordo na comunidade científica sobre como a nuvem adquire essa carga, mas a descrição seguinte oferece uma explicação plausível.

        No processo do ciclo da água, a umidade pode se acumular na atmosfera. Esse acúmulo é o que vemos como nuvem. As nuvens podem conter milhões e milhões de gotículas d'água e gelo suspensos no ar. Como o processo de evaporação e condensação continua, essas gotículas enfrentam muitas colisões com a umidade que está no processo de condensação, enquanto sobe. Além disso, a umidade que sobe pode se chocar com o gelo ou com a neve que está caindo em direção à terra ou que está na parte inferior da nuvem. A importância desses choques é que eles retiram os elétrons da umidade que está subindo, criando, assim, uma separação de carga.

Os “elétrons recém arrancados” se unem na parte inferior da nuvem, dando a ela a carga negativa. A umidade que está subindo e que acabou de perder um elétron carrega uma carga positiva para a parte superior da nuvem. Além dos choques, o resfriamento tem um papel importante. Quando a umidade que está subindo depara com temperaturas mais baixas na parte superior da nuvem e começa a gelar, a parte resfriada fica negativamente carregada e as gotículas que não estão congeladas se tornam positivamente carregadas. Nesse ponto, as correntes de ar ascendentes têm a capacidade de remover as gotículas positivamente carregadas do gelo e carregá-las para a parte superior da nuvem. A parte congelada restante normalmente desceria para a parte inferior da nuvem ou continuaria descendo até o chão. Combinando os choques com o resfriamento, podemos começar a entender como uma nuvem pode adquirir a separação extrema de carga que é necessária para que um relâmpago ocorra.

 O CAMPO ELÉTRICO

 Onde houver uma separação de carga em uma nuvem, também haverá um campo elétrico associado. Assim como a nuvem, esse campo é negativo em sua região inferior e positivo na superior.

A força ou intensidade do campo elétrico está diretamente relacionada à quantidade de carga reunida na nuvem. Como os choques e resfriamentos continuam acontecendo e as cargas da parte inferior e superior da nuvem aumentam, o campo elétrico fica cada vez mais intenso: tão intenso, na verdade, que os elétrons da superfície da Terra são afastados para o interior dela pela forte carga negativa da parte inferior da nuvem. Essa repulsão de elétrons faz com que a superfície da Terra adquira uma forte carga positiva.

Tudo que se precisa agora é de um caminho condutivo para que o inferior negativo da nuvem entre em contato com a superfície positiva da Terra. O forte campo magnético, sendo, de alguma forma, auto-suficiente, cria esse caminho.

O forte campo elétrico "quebra" o ar ao redor da nuvem, permitindo que a corrente flua numa tentativa de neutralizar a separação de carga. A "quebra" do ar cria um caminho que provoca um curto-circuito na nuvem/terra como se houvesse uma longa vara de metal conectando-as. 

LÍDERES ESCALONADOS

Uma vez iniciado o processo de ionização, o plasma (ar ionizado) se forma e o caminho não é criado instantaneamente. Na realidade, há muitos caminhos separados de ar ionizado se originando na nuvem. Eles são chamados de "líderes escalonados".

Os líderes escalonados se propagam em direção à Terra em etapas, que não tem que resultar numa linha reta. O ar pode não se ionizar igualmente em todas as direções. Poeira ou impurezas (qualquer objeto – um avião...) no ar podem fazer com que o ar se "quebre" mais facilmente em uma direção, dando melhores condições para o líder escalonado alcançar a Terra mais rapidamente naquela direção. 

Considerando essas possibilidades, fica óbvio que existem vários fatores que afetam a direção do líder escalonado. Ensinaram-nos que a menor distância entre dois pontos é uma linha reta, mas, no caso dos campos elétricos, as linhas de força (linhas de fluxo) podem não seguir a distância mais curta, uma vez que a distância mais curta nem sempre representa o caminho de menor resistência.

O líder que atingir o solo primeiro colhe as recompensas da jornada, formando um caminho condutivo entre a nuvem e o solo. Esse líder não é a descarga do relâmpago; ele apenas mapeia o caminho que aquela descarga seguirá. A descarga é o fluxo da corrente elétrica bem forte e repentino, que se move da nuvem para o solo.

AS DESCARGAS CONECTANTES POSITIVAS E A EXPLOSÃO DO AR

 Conforme os outros líderes se aproximam da Terra, os objetos da superfície começam a responder ao forte campo elétrico. Eles alcançam as nuvens "desenvolvendo" descargas conectantes positivas. 

De fato, qualquer coisa na superfície da Terra tem potencial para enviar uma descarga conectante. Uma vez produzidas, elas não continuam crescendo em direção às nuvens. Unir esse espaço é trabalho dos líderes escalonados em sua queda. As descargas conectantes esperam pacientemente, esticando-se para cima conforme os líderes escalonados se aproximam.

O que está prestes a acontecer é o real encontro de um líder escalonado com uma descarga conectante. Conforme discutido anteriormente, a descarga conectante que o líder escalonado atinge não é necessariamente a que está mais perto da nuvem. É muito comum que os raios atinjam o solo (chão) mesmo que haja uma árvore, um poste de luz ou qualquer outro objeto por perto. O fato de o líder escalonado não fazer um caminho reto permite que isso aconteça.

Sempre que há uma corrente elétrica, há calor associado a essa corrente. Desde que a quantidade de corrente elétrica em uma descarga de relâmpago seja enorme, também será enorme a quantidade de calor. Na verdade, o relâmpago é mais quente do que a superfície do Sol. Esse calor é a real causa do brilho branco-azulado que vemos.

Quando o líder e a descarga conectante se encontram, deixando fluir a corrente (a descarga do relâmpago), o ar ao redor dela fica extremamente quente, tão quente que realmente explode, porque o calor faz que o ar se expanda muito rapidamente. A explosão é seguida pelo que conhecemos como trovão.

O trovão é a onda de choque irradiando ao longo do caminho da descarga. Quando o ar esquenta, ele se expande rapidamente, criando uma onda de compressão que se propaga pelo ar ao redor. Essa onda de compressão se manifesta na forma de uma onda sonora, o que não significa que o trovão seja inofensivo. Pelo contrário, se você estiver perto o bastante, conseguirá sentir a onda de choque, uma vez que ela sacode as redondezas.

NA AVIAÇÃO

Felizmente, um raio não parece causar a mesma destruição numa aeronave do mesmo jeito que ele faz em objetos no chão. Infelizmente, esse fato tem sido tão bem transmitido que muitos pilotos acabam não se importando com os perigos do relâmpago em vôo.

Os efeitos do raio numa aeronave em vôo são um pouco diferentes do que os efeitos sobre alvos de superfície, em grande parte devido à falta de aterramento, o que impede a corrente de causar todo o seu potencial de dano.

Além disso, os aviões que têm “pele” de metal produzem o efeito chamado “Gaiola de Faraday” que permite a distribuição elétrica potencial uniformemente sobre a superfície do metal de modo que os ocupantes e componentes internos não recebem os efeitos da eletricidade que podem causar danos.