Yıldırımlar, insanların her zaman ilgisini çekmiş ve hayatını etkilemiştir. Tarih boyunca bu konu üzerinde çeşitli efsaneler oluşmuştur. Ancak bilimsel anlamda yıldırım ile ilgili ilk tanımlamalar 17.yy.’da başlamıştır. İlk olarak Descartes, yıldırımın bulutların çarpışmasıyla sıkışan havanın ışık ve ısı etkisinin meydana geldiğini ve ısının gürültüye neden olduğunu söyleyerek yıldırım ile ilgili ilk teoriyi ortaya atmıştır. 18.yy. ortalarında Rahip Nollet Fizik Dersleri adlı kitabında elektrikle yıldırım etkisini anlatmıştır. Bu tarihlerde Fizikçi Jalbert, yıldırım olayı ile sivri uçların ilgisini dile getirmiştir. Aynı yıllarda Romans, yıldırım olayının elektriksel bir olay olduğunu söyleyerek, yıldırımda elektrikten bahsetmiştir. Franklin 1725 yılında balon deneyi yaparak bulutların elektrik yüklü olduğunu ispat etmiştir. 1929 yılında İngiliz Doktor Simson ve Fransız Mathias tarafından yapılan çalışmalarla yıldırım konusu açıklanmaya çalışılmıştır.
Yıldırım, bulut ile yer arasındaki elektrik yüklerinin hızlı boşalması olayı olarak ifade edilmektedir. Atlamanın gerçekleşmesi için, havada asılı duran bulutlar ile yer arasındaki hava iyi bir iletken olmadığından, yaklaşık 100.000.000 voltluk bir gerilim oluşması gerekmektedir. Bulutların yıldırım üretmesi için önce elektrik yükleri ile şarj olması gerekmektedir. Bulutların şarj olması için fırtına bulutunun yere yakın olan kısmı negatif yükle yüklenir (Bu durum her zaman için geçerli değildir). Bu arada yer pozitif yükle yüklenir. Yüklenme hem bulut hem de yeryüzünde birbirine ters kutuplar olarak gerçekleşir. Aradaki potansiyel farkı artınca yalıtkan olan havanın delinmesiyle buluttaki veya yerdeki yüksek voltaj deşarj olur. Bu deşarjlarda 2000 ile 200.000 amper arası akım oluşmaktadır. Atmosfer olaylarında bulut ile bulut arasında oluşan boşalmaya şimşek, bulutla yer arasında oluşan boşalmaya yıldırım denir.
Yıldırımı oluşturan fırtına bulutunun oluşumu açıklanabilmekle birlikte bu bulutun nasıl elektrikle yüklendiği konusunda kesin bilgilere ulaşılamamıştır. Hava akımları, yere yakın hava tabakalarının iyice ısınması ile oluşmaktadır. Çok büyük yüksekliklerden aşağı inen soğuk hava ile bu hava tabakası yer değiştirir. Nem ise yüksek sıcaklıkta buharlaşma ile meydana gelir. Hava, yukarı çıkışı sırasında soğur ve belirli bir yükseklikte su buharına doyacağı bir sıcaklığa erişir. Daha fazla yükselmesi konzenzasyona sebep olur ve bulut oluşur. Yıldırım bulutunun oluşumunda üç aşama söz konusudur; gençlik, olgunluk ve yaşlılık.
Gençlik aşamasında aşağıdan yukarı doğru ve kenarlardan ortaya doğru hava akımları artar. Bu durum yaklaşık 10-15 dakika sürer. Olgunluk aşamasında yağmurlar oluşur. Sıfıra yakın sıcaklık derecelerinde iyice azalan bulut kaldırma kuvveti şiddetli yağmurlara sebep olur. Aynı anda yukarıdan aşağıya hareket eden soğuk rüzgarlar görülür. Bunlar yere ulaştıklarında şiddetli fırtınalara sebep olurlar. Bu aşama yaklaşık 15-30 dakika sürer. Yaklaşık 30 dakika süren yaşlılık aşamasında ise hava akımları sona erer.
Yıldırım bulutlarında elektrik yüklerinin oluşu ile çeşitli teoriler bulunmakla birlikte tam olarak açıklanamamıştır. Bu teorilerden biri Simpson ve Lomonosow’un teorisidir. Onlara göre bulutlardaki yükler hava akımı yardımıyla oluşmaktadır. Sıcak ve soğuk havanın yer değiştirmesi sonucunda oluşan hava akımı bulutlardaki su damlacıklarını harekete geçirir. Hareket halindeki su damlacıkları, birbirleriyle sürtünmek suretiyle yüklü hale gelirler. Bulutlardaki hava akımları su damlacıklarının dağılmasına ve tekrar birleşmesine sebep olurlar. Yapılan laboratuar çalışmalarında dağılan su damlacıklarından küçük damlacıkların negatif, büyük damlacıkların ise pozitif olarak yüklendiği gözlenmiştir. Bu bilgilere göre büyük su damlacıkları yani pozitif yüklü damlacıklar bulutun alt kademelerinde ve rüzgar hızının büyük olduğu bölümlerde olmalılar. Küçük negatif yüklü su damlacıkları ise rüzgar tarafından itilmeli ve bulutun daha yukarı kısımlarından dağılmalılar.
Yıldırım bulutundaki yüklerin yukarıda anlatıldığı şekilde meydana geldiği kabul edilecek olursa bulutun alt kısımları pozitif yüklü olacağından yıldırım deşarjı da pozitif kutbiyette olacaktır. Yapılan gözlemler pozitif kutbiyetteki yıldırım deşarjlarının %10-15 civarında olduğunu, deşarjların yaklaşık %85-90’ının negatif kutbiyette gerçekleştiğini göstermektedir. Dolayısıyla Simpson ve Lomonosow’un teorileri yıldırım bulutlarındaki elektrik yüklerinin meydana gelişini tam olarak açıklayamamaktadır.
Bu konudaki diğer bir teori de Elster ve Geitel tarafından ortaya konulmuştur. Onlara göre bulutların, yüklenmesi tesir yoluyla elektriklenme ile açıklanmaktadır. Dünya yüzeyindeki elektrik yükü –5×105 C kabul edilirse bu yükün içinde bulunan su damlacıkları alt uçları pozitif, üst uçları negatif olmak üzere kutuplanır. Yer çekimi etkisiyle aşağıya doğru düşen büyük su damlacıkları havanın oldukça yavaş hareket eden iyonlarına yaklaşırlar ve bu sırada su damlacığının pozitif alt ucu havanın negatif iyonunu absorde ederken pozitif iyonu da iter. Böylece ağır su damlacıkları negatif elektrikli parçacıklar haline gelir. Aynı şekilde kutuplanan küçük su damlacıkları yukarıya doğru hareket ederken havanın pozitif iyonlarını absorde ederler ve negatif iyonları iterler. Bu durumda hafif su damlacıkları da pozitif elektrikli parçacıklar haline gelirler.
Elster ve Geitel’in teorisine göre bulutun alt kısımlarında negatif yükler bulunmaktadır. Teori negatif kutbiyetteki yıldırım deşarjlarını açıklayabilmedir gibi görünse de aslında eksik yanları bulunmaktadır.
Bir yıldırım bulutunun su damlacıklarından çok buz kristalleri ve kar parçacıklarından oluştuğu düşünülürse, bu buz kristalleri ve kar parçacıklarının dünyanın elektrik alanı ile kutuplanma olasılıkları oldukça düşüktür.
Konu üzerine başka bir teori de J.I.Frenkel tarafından ortaya atılmıştır. Frenkel’e göre havada her iki işaretli iyonlar var olduğundan, dünyanın negatif elektrik yükleri kaçmaya ve iyonosferin pozitif elektrik yükleri ile birleşmeye yatkındır. Dolayısıyla dünyanın azalan elektrik yükünü sürekli olarak takviye edecek bir olayın olması gerekmektedir. Dünyanın elektrik yükünün sabit kalmasında en önemli rolü negatif yıldırım deşarjları sağlayacaktır. Bu teoriye göre her iki işaretli iyonlardan oluşan hava ile küçük su damlacıkları veya buz kristallerinden meydana gelen bir ortam göz önüne alınır ve havanın negatif iyonlarının daha küçük su damlacıklarına ya da buz kristallerine konduğu var sayılır. Buna göre bulut, negatif yüklü su damlacıkları ve pozitif iyonlu havadan oluşur (negatif iyonlar su damlacıkları tarafından yutulmuştur).
Sonuç olarak araştırmalar yıldırımın oluşumu sırasında bilinen dört çeşit yıldırım tipi olduğunu ortaya koymaktadır; (-) inişli, (-) çıkışlı, (+) inişli ve (+) çıkışlı. Bu yıldırım tipleri elektrik yüklerinin boşalma yönü ve yükün negatif veya pozitif olmasına göre belirlenir. Yukarıya çıkan yıldırımlar yerde biriken yüklerin buluta doğru boşalması şeklinde oluşurken, aşağı inen yıldırımlar ise buluttaki yükün toprağa doğru boşalması ile oluşur.
Bulutların negatif yüklü olduğu durumlarda yerin pozitif yüklü sivri bölgelerinden bulutun negatif yüklü bölgesine doğru başlayan ön boşalmalar şeklinde görülür. Boşalmalar genelde düz araziler üzerindeki yüksek yapılardan veya yeryüzündeki yüksek dağlık kesimlerden başlar. Deşarj olgunlaştığında akım değeri 10.000amperi bulur.
Aşağı inen yıldırımlarda, bulutun alt kısmındaki enerji yalıtkan havayı delebilecek yeterli enerji seviyesine geldiğinde toprağa doğru bir elektron demeti harekete geçer. Birinci demet 10-50 metrelik mesafeyi 50.000 ila 60.000 km/sn arasındaki hızla kat eder. 30 ile 100 mikron saniye süren bir aradan sonra ikinci bir deşarj, birinci deşarjın yolunu izler ve birinciden 30 ile 50 metre arası daha ileri gider. Daha sonra üçüncü deşarj, ardından dördüncü deşarj meydana gelir. Her bir deşarj öncekinden 30-50 metre ileri giderek yıldırımın ucunun yeryüzüne yaklaşmasını sağlar. Ön boşalma yere yaklaştıkça elektrik alanı havanın delinme dayanımı üzerine çıkacak kadar artar. Böylece yeryüzünün sivri bir noktasından bir boşalma yukarıya doğru ilerleyerek ön boşalma ile birleşir. Yaklaşık 50.000 km/sn’lik bir hızla aşağıdan yukarıya doğru iyonizasyonlu ve kanalda depo edilen yükü toprağa boşaltır. Bu deşarj esnasında 200.000 ampere kadar çıkan akım 100.000.000 voltluk bir gerilim ile toprağa akar. Açılan yıldırım kanalından çok kısa bir sürede defalarca kez deşarj meydana gelir.
