Como começaram os estudos sobre eletricidade atmosférica?
Foi somente após a descoberta da eletricidade no início do século XVIII, que a natureza elétrica da atmosfera da Terra começou a ser desvendada. Em 1708, William Wall, ao ver uma faísca sair de um pedaço de âmbar carregado eletricamente, observou que ela era parecida com um relâmpago. Na metade deste século, após a descoberta das primeiras propriedades elétricas da matéria, tornou-se evidente que os relâmpagos deveriam ser uma forma de eletricidade, associados de alguma maneira com as tempestades.
Benjamin Franklin foi o primeiro a projetar um experimento para tentar provar a natureza elétrica do relâmpago. Em julho de 1750, Franklin propôs que a eletricidade poderia ser drenada de uma nuvem por um mastro metálico. Se o mastro fosse isolado do solo e um observador aproximasse um fio aterrado, uma faísca saltaria do mastro para o fio quando uma nuvem eletrificada estivesse próxima. Nesse caso, estaria provado que as nuvens seriam eletricamente carregadas e, consequentemente, que os relâmpagos também seriam um fenômeno elétrico.
Em maio de 1752, Thomas-François D'Alibard repetiu o experimento de Franklin com o mastro metálico e comprovou que a hipótese estava correta.
Em junho de 1752, Franklin realizou outro experimento com o mesmo propósito: o famoso teste com uma pipa. Em vez de utilizar um mastro metálico, ele usou uma pipa, que poderia alcançar maiores altitudes e ser usada em qualquer lugar. Novamente, faíscas saltaram de uma chave colocada na extremidade do fio preso à pipa em direção a sua mão.
Ainda em 1752, L. G. Lemonnier retomou o experimento com o mastro metálico. No entanto, em vez de aproximar um fio aterrado, colocou um pouco de poeira para ver se ela seria atraída pela corrente elétrica. Ele descobriu que, mesmo sem nuvens, a atmosfera tinha uma fraca eletrificação. Ele também encontrou evidências de que tal eletrificação variava da noite para o dia. Em 1775, G. Beccaria confirmou a existência da variação diurna da eletrificação em tempo bom e determinou que a polaridade da carga elétrica na atmosfera nessa condição era positiva, alterando-se para negativa quando havia tempestades próximas. Esses achados estavam em concordância com as observações de Franklin.
Em 1779, H. B. Saussure mediu pela primeira vez a carga induzida em um condutor imerso na atmosfera. Seu instrumento, um precursor do eletrômetro, consistia em observar a separação entre duas pequenas esferas suspensas lado a lado por fios finos. Além de confirmar os resultados de Beccaria, Saussure descobriu uma variação anual da eletrificação na condição de tempo bom e uma variação conforme a altitude. Ele acreditava que essas alterações poderiam ser explicadas ao assumir que o ar continha uma carga positiva.
Em 1785, C. A. Coulomb descobriu que o ar é condutor de eletricidade, observando que um objeto condutor isolado, quando exposto ao ar, perdia gradualmente sua carga, visto que os gases eram então considerados isolantes. Sua descoberta, entretanto, não foi compreendida na época e acabou sendo esquecida.
Em 1804, P. Erman, explicando as observações de Saussure, sugeriu pela primeira vez que a Terra deveria ser carregada negativamente. Em 1842, J. Peltier confirmou esta ideia e sugeriu que a carga no ar deveria ser originária da Terra, que foi carregada eletricamente durante sua formação. Em 1860, W. Thomson (também conhecido por Lord Kelvin) defendeu a ideia de que cargas positivas deveriam existir na atmosfera e que essa seria a explicação para sua eletrificação em tempo bom. Ele foi também o primeiro a reconhecer a eletrificação da atmosfera como uma manifestação de um campo elétrico.
Em 1885, J. Elster e H. F. Geitel, propuseram a primeira teoria para explicar a estrutura elétrica das tempestades. Em 1887, W. Linss chegou aos mesmos resultados obtidos por Coulomb cerca de 100 anos antes e, então, estimou que a Terra perderia quase toda a sua carga para a atmosfera condutora em menos de uma hora, a menos que a fonte de cargas fosse restabelecida.
Esse fato deu origem ao que se tornou conhecido como problema fundamental da eletricidade atmosférica, isto é, como a carga negativa da Terra é mantida. As primeiras ideias para resolver este problema surgiram somente no século seguinte. Em 1897, J. J. Thomson realizou experiências que o levaram a concluir que os raios catódicos eram formados por partículas que possuem carga negativa e essas partículas foram denominadas de elétrons. Os relâmpagos que até então eram considerados como um fluído, passaram a ser vistos como um fluxo de elétrons.
Finalmente em 1899, J. Elster e H.F. Geitel descobriram que a radioatividade está presente na atmosfera, estabelecendo uma explicação para a presença de íons na mesma. As próximas descobertas a respeito da eletrificação da atmosfera só surgiram após o desenvolvimento de instrumentos fotográficos e elétricos no século XX.