根据B · 弗兰克林和其他一些人在十七世纪中叶所做的试验，闪电才第一次被看作是宏大的静电现象。而且，试验者立即认识到弱电性是大气的一种永久特性，即使在晴天也是如此。曾经发现地球表面带负电荷，而空气带正电荷，晴天时在靠近地面的大气中存在着约为每米100伏特的垂直电场。对这种现象，先是从静电的角度作了解释，早期有一种理论认为，这种大气电场是地球上固有负电荷的产物，这些负电荷也许是在地球形成期间聚集起来的。然而在二十世纪初发现宇宙射线离子化之后，了解到空气由于含有离子而具有导电性，并且来自大气的垂直传导电流使地球的电荷中和。按照实际的导电值计算出：电荷的中和不会超过30分钟，可是电场却继续存在，这就意味存在着某种产生防止流向地球的漏泄电流的机理。

在二十年代，美国物理学家C. T. R. 威尔逊曾提出雷暴雨负责维持晴天的电性，这种假设是建立在他的观测基础上的，即在雷雨云下方负电荷被带到地球，而雷雨云上方正电荷则朝着电离层向上流动。在高导电性电离层里面，电荷被迅速地分布在全球周围，然后通过晴天地带的大气层流向地球。这种环球电路相当于一个巨大的漏泄球形电容器：高导电性的地球表面和电离层代表着两个极板，弱导电性的低层大气层代表两极板间的介质，而雷暴则使电荷分开。

大气中多数云层的形成和消失，从不降雨或闪电，然而由于对流活动加剧，云层电性也随着增加。强充电通常是在晴天积云在垂向和水平方向迅速发展成积雨云的情况下开始的。地球上大多数闪电是由强对流型积雨云产生，这些类型积雨云具有强有力的上、下移动气流体系，它以不定方式最终使雷雨云内的诸电荷分开。

电荷分开过程通常使雷雨云的上部分主要充填了正电荷，下部分主要充填了负电荷。后者电量约为-20到-100库仑，已经发现它出现在大气温度为-10和-20℃之间的高度上。一般来说，这种温度范围对夏天雷暴雨而言，出现在6 ~ 8千米高度上，冬天则在2千米附近。同量级的正电荷与温度没有明确的关系，通常处在8 ~ 16千米高度上（取决于风暴的大小）。在任何时刻，全球上空出现的雷暴就其总体而言都有正、负电荷中心，这些中心所在高度范围很广，取决于大气结构、雷暴大小、类型（气团或气锋）、位贾（海洋、平原或是山脉）、纬度、发展阶段及其他因素。

我们缺少公认的可用来测定雷暴释放到环球电路的电流的ff暴充电模型。最简单的模型采用一种准静态的两极电荷分布，正电荷嵌入云顶，负电荷嵌入云底。双极浸在大气层中，此大气层从地面至离地50公里以上电离层高导电区，其导电性随着高度呈指数增大。大气层中的导电性分布主要席银河系的宇宙射线来维持，地面附近的导电性数值范围为每米10^-18~ 10^-14西门子，70千米附近的电离层则增加到10^-6西门子。假定双极电荷依靠在雷暴上升和下降气流区域内两电荷中心之间流动的稳定对流电流与放电电流相抵消而处于平衡，那么彼此分开的20 ~ 100库仑电荷在雷暴附近便会产生约一万亿伏特电位。

在雷暴上方，大气的导电性足够高，以致只有传导电流朝着电离层向上流动。然而在雷暴下方由于电晕放电、闪电、降雨、对流 · 和位移电流而产生的附加电流分量，促进在电荷中心之间以及在雷暴与地球表面之间的交换。闪电电流脉冲的出现，说明电荷的迁移在空间和时间方面都是不连续的。闪电通常使负电荷从云底降到地面。然而也可以观察到在某些雷暴里正电荷是从云顶降到地面的。电晕放电通常使负电荷移向地面，而降雨和紊流对流则通常使正电荷移动。

尚不清楚：雷暴作为一个整体究竟起电流发生器的作用（供给与负载无关的电流）还是起电压发生器的作用（在其中充电电流一直增长直到它受到某种感受电压的耗散机制，例如闪电或电晕限制为止）。有一点是清楚的，那就是需要进一步研究，以便更好地确定雷暴作为发电机在环球电路中所起的作用。

不管发电机是什么类型，飞越雷暴顶部的飞机和气球已经测出朝着电离层向上流动的电流为1 ~ 2安培。这种向上电流是在窄小柱形中流动一直达到离地70千米附近高导电性电离层为止，在那里有足够多的自由电子使导电性大大增加。该电流便以这种水平向全球散布。

大气的沿高度积分的气柱电阻大约为每平方米0.1欧姆。全球电阻（把地球上空各种柱形电阻相加而得出的平行的环形电阻）大约为200欧姆。因而，一个典型的雷暴可在电离层和地面之间维持200 ~ 400伏特的电位差。

据估算，在任意时刻在地面上空同时发生1000次雷暴，从这遍及世界范围的雷暴中输出的1000 ~ 2000安培电流在电离层和地面之间维持200 ~ 400千伏特的电位差。在地球四周，这种电位差是相同的，因为电离层和地球的导电率很高，而且电流在这些区域内自由地流动，致使水平电位差减小的缘故。

电离层 - 地球间电位差对环球电路是至关重要的，因为它是少数可测的环球参数之一。它可以通过积分从升、降气球或飞机测得的或者从测出的地面与系绳气球之间电位差得到的电场随高度变化的曲线求出来。因为导电率随高度按指数规律增大，于是在离地面几千米范围内便出现大幅度电压降。

在电离层 - 地球电位差中还可看到世界时（UT）日变量，其最大值约为1900 UT，最小约为0400 UT。这种世界时日变量与全球性雷暴雨频率的世界时日变量密切相关。还有，如果午后在非洲和南美上空有雷暴雨，出现的频率则增加，在1900 UT附近，如果午后在亚洲上空有雷暴雨，则减少，在0400 UT附近。

这种电离层 - 地球电位差若向下朝着地面，它便在全球所有晴天地带驱动传导电流。这股从大气到地球的电流密度大小随着电 · 离层与地球之间电位差大小以及电离层与地球之间气柱电阻大小而变化：一般来说，数量为1 ~ 3×10¹²安培/平方米。山脉上空的气柱电阻明显地低于海平面，因而有相应的较高密度的大气 - 地球电流流进山区。影响着气柱电阻的云层、空气污染、悬浮微粒和其他因素也影响着大气 - 地球的电流。电场和导电率随高度按反比变化以保持大气 - 地球的电流不随高度变化。电场与气柱电阻和当地的导电率有关。在地球附面层内（从地球表面算起大约几公里），鉴于空间电荷、烟、灰尘、云层以及雾的不规则移动，电场是不均匀的并有噪声，因此，要区别全球变量与地区变量是很困难的。

环球电路是靠雷暴下面的电荷迁移来闭合的。最近测量表明，这主要是通过闪电放电，至少是通过电晕放电来进行的。任何时刻在全球范围每秒钟大约出现100次闪电。与云 - 地闪电及由电晕放电引起的电流有关的电荷移动，看来是在此系统中平衡该电流的流动。

已经从地面基地、飞机和气球的测量的推论中得出了大量关于环球电路特性的资料。某些以地面为基地的闪电检测和定位网络使用磁性天线和三角测量技术去估计北美大部分地区上空云 - 地闪电，在美国西部、加拿大和阿拉斯加已建立了这些网络用于探测森林火险。也有使用国防气象卫星上的光学传感器来测量来自空间的闪电。卫星数据包括云层间和云地间闪电两部分。至今我们还没有办法从卫星上利用光学来区别是云地间还是云层间的闪电。各种研究已经表明大部分闪电局限在大陆区，这就指出陆地在产生雷暴中的重要作用。但是仍然存在很多问题，涉及到全球的闪电放电的分布和频率以及它们与环球电路特性的关系。

美国国家航空航天局马歇尔研究中心已在研究一种仪器，终有一天它将利用光学原理从同步轨道上昼夜监测闪电。要覆盖地球需要3个或3个以上的带有光学检测器的同步卫星。如果全球闪电特性能够随着用气球、飞机或在高空飞行的系绳气球测量电离层地球间电位差一起被测定的话，那么就有可能去研究环球电路对世界范围雷暴活动的响应。

最后，应该指出不能完全使低层大气层环球电路与在高层大气层中流动的强电流隔开。大约在100公里以下高度有总强度为10^-3安培的垂直电流在低层大气层环球电路中流动。在高约100公里的电离层风力发电区中，10⁵安培水平电流在地球向阳一侧流动。在高的磁共轭纬度和在同一高度上，太阳风 - 磁层发电机驱动大约10⁶安培电流。这些都与极光的各种过程有关。究竟这些电流系统如何相互作用，如何对日光和极光变化作出响应，这就是行星科学方面一个激动人心的研究课题。

（Aerospace America，1985年1月）