Bir bulutun tabanı ile yer arasında, iki bulut arasında veya bir bulut içinde elektrik boşalırken oluşan kırık çizgi biçimindeki geçici ışığa şimşek,[1][2] gök gürültüsü ve şimşekle görülen, gökyüzü ile yer arasındaki elektrik boşalmasına ise yıldırım denir.[3][4]
Havanın iyi bir iletken olmaması bünyesinde elektrik yükleri bulunduran bulutları oluşturur. Fiziksel nedenlerden ötürü, bulutun yüklenmesi sırasında yere yakın olan kısmında %70-%90 olasılıkla negatif elektrik yükleri yer alır. Bu durumda yer de bulutun negatif yüklerine bakan bölümünde pozitif yükler toplanır. Bazı koşullarda bunun tersi yüklenme de olabilmektedir (%10-%30 olasılıkla). Fırtınanın, hava akımlarının artmasıyla buluttaki negatif yük oranı ve buna bağlı olarak da yerdeki pozitif yük toplanması hızlanarak devam eder. Bulutla yer arasındaki potansiyel farkı arttıkça aradaki havanın da delinmesi kolaylaşır ve belli bir değerden sonra havanın delinmesiyle oluşan iletken kanal boyunca buluttan yere veya yerden buluta elektriksel boşalma başlar.

Romanya Oradea'da gözlemlenen yıldırımlar.


Yıldırımın oluşması için öncelikle elektriksel olarak yüklenmiş yıldırım bulutunun oluşması gerekir. Günümüzde yıldırım bulutunun oluşumu rahatlıkla açıklanabilse de bu bulutun elektriksel olarak nasıl yüklendiği konusunda kesin bilgiler yoktur. Ancak bu durum bazı teoriler ile açıklanabilmektedir.
Yıldırım boşalmasının çıkış noktası, atmosferde yüksek miktarda nem bulunması ve sıcak hava akımları yardımıyla yüklü bulutların oluşmasıdır. Hava akımları, yere yakın hava tabakalarının iyice ısınması ile oluşur. 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 yoğuşmaya sebep olur ve bulut oluşur.
Yıldırım bulutunun oluşumunda üç aşama söz konusudur:

• Gençlik
• Olgunluk
• 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. Bu sırada yukarıdan aşağıya hareket eden soğuk rüzgarlar görülür. Bunlar yere ulaştıklarında kısa süreli, şiddetli fırtınalara sebep olurlar. Bu aşama yaklaşık 15 – 30 dakika sürer.
Yaşlılık aşamasında ise hava akımları artık son bulmuştur. Yaklaşık 30 dakika sürer.
Yıldırım bulutlarında elektrik yüklerinin nasıl oluştuğu henüz net bir şekilde bilinmemektedir. Tarih boyunca bu konuda çeşitli teorilerle bulutların yüklenmesi açıklanmaya çalışılmıştır. Bu teorilerden biri Simpson ve Lomonosow’ un teorisidir. Bu iki araştırmacıya 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 sürtünmesiyle, elektriksel olarak yüklenirler.
Bulutlardaki hava akımları su damlacıklarının dağılmasına ve tekrar birleşmesine sebep olurlar. Yapılan labaratuvar 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 kısımlarında dağılmalılar.
Yıldırım bulutundaki yüklerin bu şekilde meydana geldiği kabul edilecek olursa bulutun alt kısımları pozitif yüklü olacağından yıldırım boşalması da pozitif kutbiyette olacaktır. Yapılan gözlemler pozitif kutbiyetteki yıldırım boşalmalarının %5-20 civarında olduğunu, boşalmaların yaklaşık %70-95’inin negatif kutbiyette olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla Simpson ve Lomonosow’un teorileri yıldırım bulutlarındaki elektrik yüklerinin meydana gelişini tam olarak açıklayamamaktadır.
Bu konuda ikinci bir teori de Elster ve Geitel tarafından ortaya konulmuştur. Onlara göre bulutların yüklenmesi tesirle elektriklenme ile açıklanmaktadır
Dünya yüzeyindeki elektrik yükü –5x10^5 C kabul edilirse bu yükün içinde bulunan su damlacıkları alt uçları pozitif ve üst uçları negatif olmak üzere kutuplanırlar. Yerçekimi 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 tutarken 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 çekerler ve negatif iyonları iterler. Böylece hafif su damlacıkları da pozitif elektrikli parçacıklar haline gelirler. Bu teoriye göre bulutun alt kısımlarında negatif yükler bulunmaktadır. Teori negatif kutbiyetteki yıldırım boşalmalarını açıklayabilmektedir gibi gözükse 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.
Bu konu üzerine üçüncü 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 besleyecek bir olayın olması gerekmektedir. Dünyanın elektrik yükünün sabit kalmasında en önemli rolü negatif yıldırım boşalmaları 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 veya buz kristallerine konduğu var sayılır. Buna göre bulut, negatif elektrikli su damlacıkları ve pozitif iyonlu havadan oluşur. (negatif iyonlar su damlacıkları tarafından tutulmuştur).