Объяснение атмосферного электричества – проблема, над которой человечество думает с момента своего появления на Земле. Было предложено около двух десятков теорий, но ни одна из них не имела термодинамического обоснования. Такое термодинамическое обоснование стало возможным в связи с разработкой теории эффекта знака заряда при конденсации воды на ионах (см. предыдущий раздел). Эта теория объясняет и целый ряд других природных электрических явлений.

Разделение зарядов в атмосфере. Известно, что противоположные заряды притягиваются друг к другу, но в атмосфере они парадоксальным образом отталкиваются, создавая гигантские разности потенциалов. Цепочка событий здесь следующая. В атмосфере много ионов, создаваемых космическими лучами, и конденсация воды происходит преимущественно на ионах. Из-за наличия на поверхности капли спонтанного скачка электрического потенциала (он положителен при вхождении в каплю) энергетика взаимодействия заряда иона с межфазным потенциалам зависит от знака заряда иона и оказывается выгоднее для отрицательного заряда. По этой причине отрицательно заряженные капли на начальной стадии растут быстрее капель с положительным зарядом. Как следствие, первые крупнее и массивнее последних, и тогда их разделяет гравитационное поле. Таким образом, гравитационное поле Земли оказывается гигантским насосом, разделяющим заряды. Однако исходной причиной всего является электрическая структура молекулы воды (ее дипольный и квадрупольный моменты), благодаря которой на поверхности спонтанно (в отсутствие внешних полей) возникает разность электрических потенциалов определенного знака.

Аномальная поляризация облаков. Известно, что Земля заряжена отрицательно по отношению к космосу. Если так, то в ее электрическом поле облака должны поляризоваться положительным зарядом к Земле и отрицательным от Земли. Типична, однако, прямо противоположная поляризация (потому и называемая аномальной) – отрицательным зарядом к Земле. Причина этого лежит в описанном выше механизме разделения зарядов: поскольку отрицательные капли крупнее и тяжелее, гравитационное поле Земли переносит их в нижнюю часть облака.

Отрицательный заряд дождя. Известно, что капли дождя заряжены преимущественно отрицательно. Это явление можно трактовать как прямое следствие аномальной поляризации облаков: если нижняя часть облака заряжена отрицательно, то и капли дождя будут чаще иметь заряд того же знака.

Отрицательный заряд Земли. В данной цепи рассуждений каждое последующее явление вытекает из предыдущего. Теперь можно высказать гипотезу, что электрический заряд Земли потому и отрицателен, что дождь снабжает ее зарядом этого знака.

Баллоэлектрический эффект – электризация полярных жидкостей при их разбрызгивании. Этот эффект обусловлен разрушением (при разбрызгивании жидкости) двойного электрического слоя на поверхности жидкости и преимущественным захватом образующимися капельками ионов одного знака.

Гетерогенная конденсация воды на незаряженных частицах при сверхнизких пересыщениях. Опытами в камере Вильсона было показано, что для гомогенной конденсации воды необходимо в зависимости от температуры пяти- или четырехкратное пересыщение пара, а для гетерогенной конденсации на ионах – пересыщение около 3. Однако в облаках реальные пересыщения порядка 0.02, и, тем не менее, дождь идет. Помимо зародышеобразования на ионах, существуют и механизмы гетерогенной конденсации на нейтральных частицах (кристалликах морских солей или частичках кремнезема, происходящих от земных пустынь). Теория таких систем комментируется ниже.