Молния – электрический искровой разряд, проявляющийся, обычно, яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молния представляет собой гигантскую электрическую искру. Электрическая природа молнии была впервые доказана известными опытами Франклина с воздушным змеем и многочисленными исследованиями Ломоносова и Рихмана. Ломоносов создал первую теорию возникновения электрических разрядов в атмосфере и этим положил начало науки об атмосферном электричестве.
Молнии возникают либо между облаками, либо между облаком и землей.Космические лучи непрерывно образуют в воздухе систему из ионизованных следов разной длины и разных направлений, в которых присутствуют свободные электроны. Длина отдельного следа зависит от энергии образующей его частицы. Высокоэнергичные заряженные частицы, которых в воздухе достаточно много образуют следы от единиц метров до нескольких сотен метров (при характерной длине порядка 50 м), а мюоны – от нескольких сотен метров и до нескольких километров. Указанная система следов существует в воздухе всегда независимо от наличия облаков. Она непрерывно обновляется, потому что космические лучи непрерывно образуют новые следы, а в старых следах свободные электроны исчезают в основном из-за прилипания к электроотрицательным газам воздуха (их время жизни τ << 1 мкс). В грозовом облаке непрерывно протекает процесс макромасштабного пространственного разделения зарядов. В результате в облаке образуются большие по величине (до нескольких Кл) и по протяженности (до скольких км) отрицательные и положительные объемные заряды. Они сосредоточены преимущественно на гидрометеорах - каплях, кристаллах, крупе. Рост объемных зарядов происходит до тех пор, пока создаваемая ими напряженность электрического поля в какой-то части облака не достигнет значения     Е ≈ 3 кВ/см. В этот момент появляется линейная молния. Она не уничтожает заряды на гидрометеорах облака, а нейтрализует создаваемое этими зарядами электрическое поле. Сила тока в молнии огромна (от 10 до 1000 кА), а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 108 до 109 В. Длительность отдельного разряда порядка микросекунды. Поэтому общий заряд, переносимый отдельной молнией, обычно невелик (0,1 - 10 Кл).
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к т. н. безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме до нескольких кубических километров. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках – внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю – наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.

 Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов – стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью – ступенчатому лидеру молнии.
Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.
В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °C. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли сек, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.
Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков.  Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию – светящуюся полосу (рис.2).

Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосфериками. Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт – особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.Кроме обычных молний, наблюдаются так называемые шаровые молнии. Они имеют вид светящихся шаров диаметром 10-20 см, которые либо медленно движутся, либо прикрепляются к неподвижным предметам. При попадании молнии непосредственно в грунт возможно образование своеобразного минерала фульгурита, представляющего собой, в основном, спёкшийся кварцевый песок. Шаровые молнии обычно зарождаются при ударе очень сильных молний и через несколько секунд исчезают с сильным взрывом.

Различают три типа молний: линейные, шаровые и точечные.

При систематизации молний Франсуа Араго впервые выделил шаровую молнию, до сих пор еще не понятую учеными, в качестве самостоятельного явления. Вот один из первых «портретов» шаровой молнии, при описании которой, по выражению известного французского астронома Камилла Фламмариона, «мы вступаем в мир чудес, более удивительных, чем те, о которых рассказывается в арабских сказках, более запутанных, чем Критский лабиринт, – мир громадный и фантастический». И действительно, первые описания шаровой молнии очень любопытны и при этом не всегда сходятся с описаниями более поздних исследователей.

Так, во время грозы 14...15 апреля 1718 года в Куэньоне близ Бреста были замечены три огненных шара, диаметр каждого из которых был более одного метра.

У доктора Гатье де Клобри, изуродованного шаровой молнией около Блуа, борода оказалась не только сбритой, но и уничтоженной навсегда; она никогда уже более не росла. Доктор долго был болен после этого; голова его распухла до такой степени, что достигла полутора метров в окружности.

Шаровая молния – прежде всего не всегда шар. Иногда форма ее грушевидная или вытянутая. Размеры – примерно 10...20 сантиметров, иногда до нескольких метров. Цвет от ослепительно белого до оранжево-красного. Не исключены голубые и зеленые оттенки, а также смешанная раскраска. Время существования – от нескольких секунд до нескольких минут.

Энергия молнии, тоже в соответствии с элементарными подсчетами, оказывается не столь уж колоссальной. Если температура поражает своей большой величиной, то энергия – скорее своей незначительностью. Она составляет величину порядка 3 киловатт-часов, это не большая величина, но плотность энергии гигантская.

Это, пожалуй, самое известное и хорошо изученное природное явление (наряду с явлением коронного и тлеющего разрядов), поскольку, во-первых, мало людей на Земле, не видевших линейную молнию, и, во-вторых, линейная молния подобна искровому разряду, а этот процесс детально изучен в лабораторных условиях.
Для получения искрового разряда в лабораторных условиях между специальными электродами создается электрическое поле пробойной величины Е_пр . Величина напряженности электрического поля Е_пр зависит от давления газа р по формуле Пашена Е_пр /р = const и для воздуха при атмосферном давлении составляет Е_пр = 3 • 10⁶ B/ м, то есть несколько миллионов В/м.
Отметим, что именно такая напряженность электрического поля возникает между Землей и тучами перед возникновением линейных молний. В предгрозовых условиях Земля локально заряжается положительно, а облака - отрицательно. Напряжение на обкладках этого гигантского конденсатора достигает значений U = 109 В, т.е доходит до одного миллиарда вольт.
Напряжение U в свою очередь связано с напряженностью электрического поля Е_пр по формуле Е_пр = U/L, где L - расстояние между облаками и Землей. Это расстояние равно сотням метров (до километра). Можем теперь вычислить типичное предгрозовое значение напряженности электрического поля в том месте Земли, где собирается гроза. Оно составляет величину Епр = 10⁹/10³ = 10⁶ В/м, что примерно совпадает с приведенным выше значением напряженности поля Е_пр = 3 • 10⁶ В/м для получения искрового разряда.

Сразу после войны знаменитый советский ученый П.Л. Капица создал во дворе своей дачи на Николиной горе «Избу физических проблем» – собственную лабораторию, оснащенную несложной техникой, приборами и станками. Здесь он обратился к совершенно новому классу физических задач – созданию мощных, непрерывно действующих генераторов сверхвысоких частот. Предварительно он решил сложную теоретическую задачу о движении электронов в генераторах сверхвысокочастотных колебаний. Ему помогал сын Сергей и один из сотрудников.
Новое устройство П.Л. Капица назвал «ниготроном», два первых слога являются аббревиатурой названия местности, где расположена дача, – Николина гора. Мощность ниготрона получилась довольно большой – 175 киловатт. Это хорошая основа для разработки нового научного направления – электроники больших мощностей.
При одном из испытаний излучение ниготрона пропускалось через кварцевый шар, наполненный гелием. Вдруг вспыхнуло сильное, имеющее четкие границы, свечение. Через несколько секунд шар в одном месте проплавился, и свечение исчезло.
Это, казалось бы, незначительное событие навело Капицу на мысль о сходстве того, что произошло в кварцевом шаре, с шаровой молнией. Он предположил, что шаровая молния получает энергию «со стороны» – при помощи высокочастотного излучения, возникающего в грозовых облаках после обычной молнии.