Земля обладает довольно значительным отрицательным электрическим зарядом. Как следует из геологических раскопок, в очень древнее время Земля была очень горячей и на ней шли мощные вулканические процессы.  Металл, из которого сформировалась планета, находился под прямыми лучами реликтового и солнечного излучения. Активный распад нуклонов в толще Земли должен был приводить к дисбалансу электрического заряда, свободные электроны должны выделяться в чистом виде, создавая "заряд Земли".

Положительный объемный заряд Земли содержится в атмосфере, в слое высотой порядка нескольких десятков километров. При этом поле Земли не похоже на поле заряженного шара, а скорее напоминает поле в сферическом конденсаторе. У поверхности Земли напряженность поля Е~1.3 В/см=1/300 CГC_Е. Заряд атмосферы, если считать его сферически симметрично распределенным, не создает никакого поля у самой поверхности Земли. Поле заряда Земли на ее поверхности равно E = q/R². Поскольку радиус Земли R=6370км, а напряженность известна, можно подсчитать заряд Земли q, который оказывается равным 0,6^.10⁶ Кл.

Напряженность поля Земли можно измерить экспериментально. Для этой цели можно использовать плоский конденсатор (рис. 1). Если его пластины не соединены между собой, они приобретают в поле Земли потенциалы, соответствующие тем высотам, на которых находятся (которое пластина вносит в поле, обращается в нуль вместе с толщиной пластины).При этом полный заряд каждой из пластин равен нулю, хотя на внутренних и внешних поверхностях каждой из пластин, разумеется, есть заряды соответствующих знаков; плотность их равна σ = E/4π (СГС).

 

Если теперь соединить пластины через гальванометр, пойдет кратковременный ток и имевшаяся разность потенциалов исчезнет. Соответствующее число электронов перейдет с нижней пластины на верхнюю. Поле пластин будет в точности равно и противоположно по направлению полю Земли. Пластины разрядятся, если повернуть их, поставив вертикально. При каждом повороте через гальванометр будет идти ток. Прошедший через прибор полный заряд q непосредственно связан с интересующей нас напряженностью поля Земли (СГС):

E = 4πσ = 4πq/S.

Существуют так называемые баллистические гальванометры, отклонение стрелки которых пропорционально прошедшему через гальванометр заряду. С помощью баллистического гальванометра можно непосредственно измерить заряд конденсатора, а следовательно, и напряженность поля Земли.

Описанная модель электрического поля Земли предполагает взаимодействие заряда Земли с зарядом атмосферы, находящимся на расстоянии десятков километров от поверхности Земли. Существуют две основные гипотезы, какую именно заряд атмосферы играет роль в формировании электрического поля, – теории Ч. Вильсона и Я. И. Френкеля. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, – поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.

Заряд Земли играет огромную роль в протекании абсолютно всех геопроцессов на планете. Особенно заметно его влияние на атмосферу. Такие процессы как полярное сияние, грозы, молнии, изменение погоды, образование тайфунов объясняются взаимодействием нескомпенсированного заряда Земли с положительно заряженной атмосферой.

Возможность передачи радиоволн на дальние расстояния существует благодаря наличию ионосферы. Коротковолновое излучение так же, как и свет, распространяется прямолинейно. Но оно может преодолевать многие тысячи километров, огибая земной шар громадными скачками от нескольких сотен до 3000 км и более, отражаясь попеременно от слоя ионизированного газа и от поверхности Земли или от воды.

Будучи массивным и электрически заряженным объектом, шаровая молния находится под влиянием гравитационного поля Земли и, видимо, в еще большей степени под влиянием электрического поля Земли, которое сильно возрастает перед грозой и во время грозы. Вокруг поверхности Земли существуют так называемые эквипотенциальные невидимые для нас поверхности, характеризующиеся постоянным значением электрического потенциала. Перемещение по этим поверхностям электрического заряда не сопровождается совершением какой-либо работы. Эти поверхности повторяют рельеф местности. Они огибают строения и верхушки деревьев.

Шаровая молния, являясь легким свободно блуждающим зарядом, может “сесть” на какую-либо эквипотенциальную поверхность и скользить по ней без затрат энергии. Со стороны же будет казаться, что она парит над поверхностью Земли и двигается вдоль нее, повторяя рельеф местности. Странное и, казалось бы, немотивированное поведение шаровых молний получает, таким образом, объяснение с физических позиций на основании существования вокруг Земли силовых электрических и гравитационных полей.

Другая отмечаемая многими наблюдателями странность в поведении шаровых молний заключается в том, что они стремятся проникнуть в закрытые помещения, залетая туда через форточки, просачиваясь через щели, дырки в стекле и т.д. При этом шаровая молния временно вытягивается в продольном направлении, принимая нитевидную форму, а затем превращается снова в шар. Последняя метаморфоза объясняется достаточно просто – шарообразная форма позволяет ей уменьшить потенциальную энергию.

Сложнее обстоит со стремлением шаровой молнии просочиться в закрытые помещения, но и это объяснимо с физической точки зрения. Дело в том, что в закрытых помещениях электрическое поле Земли экранируется, и с шаровой молнии частично снимается гнет мощного электрического поля Земли. Шаровая молния стремится попасть в те области приземного пространства, где меньше электрическое поле Земли. Не случайно поэтому, влетая через форточку, она часто опускается до пола, так как, освободившись от гнета мощного электрического поля Земли, она может уже под влиянием силы гравитационного притяжения приблизиться к поверхности Земли.

Итак, парение шаровой молнии над земной поверхностью, ее блуждание и движение вдоль поверхности Земли с повторением рельефов местности можно объяснить следованием вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля Земли, а залетание огненного шара в закрытые помещения – стремлением скрыться от ее мощного электрического поля, подпадая под ее же гравитационное влияние.

Уверенный приём дальних вещательных станций зависит как от времени года, так и от солнечной активности. Дело в том, что солнечная активность существенно влияет на состояние ионосферы – оболочки Земли, состоящей из разряженного и ионизированного газа. Эта оболочка простирается на 1000 и более километров от поверхности Земли, но для коротких волн существенной является та её часть, которая расположена на высоте от 50 до 400 км. Радиоволны коротковолнового диапазона (3–30 МГц) так же, как и свет, распространяются прямолинейно. Но они могут преодолевать многие тысячи километров, огибая земной шар громадными скачками от нескольких сотен до 3000 км и более, отражаясь попеременно от слоя ионизированного газа и от поверхности Земли или от воды.

Ещё в 20-х годах XX столетия считалось, что радиоволны короче 200 м вообще не пригодны для дальней связи из-за сильного поглощения в атмосфере. И вот когда были проведены первые эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой, английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели независимо друг от друга предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Этот слой получил название Хэвисайда-Кеннели, или ионосферы. Их предположение связано с тем фактом, что в ионизированной атмосфере присутствуют коллективные движения электронов с характерной частотой ω_L. При падении на такую среду волны с частотой ω < ω_L  она не проходит в среду, а испытывает отражение. Математически данное явление проявляется в комплексном значении диэлектрической проницаемости для распространяющейся волны с частотой ω < ω_L.

По современным представлениям, ионосфера состоит из отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, в основном молекулярного кислорода O⁺ и окиси азота NO⁺. Ионы и электроны образуются в результате ионизации, которая заключается в отрыве электрона от нейтральной молекулы газа. А для того, чтобы оторвать электрон, необходимо затратить некоторую энергию – энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является Солнце, точнее его ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучения. Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, вновь образует нейтральные частицы – атомы и молекулы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается и число свободных электронов начинает убывать. Вообще, чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты. А если электронов мало, то дальнее прохождение наблюдается только на низкочастотных КВ диапазонах. Поэтому ночью, как правило, возможен приём дальних станций лишь в диапазонах 75, 49, 41 и 31 м. Электроны распределены в ионосфере неравномерно. На высоте от 50 до 400 км имеется несколько слоёв или областей повышенной концентрации электронов. Эти области плавно переходят одна в другую и по-разному влияют на распространение радиоволн КВ диапазона. Самая верхняя область, кстати, самая плотная, получила название области F. Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и играет основную отражательную роль при дальнем распространении радиоволн высокочастотных КВ диапазонов. Ниже области F на высотах от 90 до 150 км расположена область E, ионизация которой происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Обычно степень ионизации области E ниже, чем области F. Однако днём приём станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от области E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000–1500 км. Ночью в области E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м.

Большой интерес для приёма сигналов высокочастотных КВ диапазонов 16, 13 и 11 м представляют образующиеся в области E прослойки (точнее, облака) сильно повышенной ионизации. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название "спорадический слой E" и обозначается E_s. Облака E_s могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Самая нижняя область ионосферы – область D расположена на высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние волны, а вот сигналы станций низкочастотный КВ диапазонов сильно поглощаются. Это днём, а после захода Солнца ионизация очень быстро исчезает и появляется возможность принимать дальние станции в диапазонах 41, 49 и 75 м, сигналы которых отражаются от слоёв F₂ и E.

Из изложенного выше стала понятна роль отдельных слоёв ионосферы а распространении сигналов КВ радиостанций. Необходимо добавить, что если сигнал отразился от слоя E ( или E_s ), то скачок не превышает 2000 км, а от слоя F (точнее, F2) – 4000 км. Скачков может быть несколько, и тогда к вашему радиоприёмнику приходят сигналы от вещательных станций, отстоящих на тысячи километров. На дневной стороне Земли такой сигнал довольно сольно ослабляется при многократном прохождении через область D. За один скачок это случается дважды. Чем ниже частота, тем это ослабление заметнее. Но это единственный путь волны в ионосфере по пути от передатчика к вашему приёмнику. Иногда создаются такие условия, при которых волна, отразившийся от слоя F₂, не возвращается обратно к Земле, а распространяется, отражаясь попеременно от слоёв E(E_s) и F₂. Волна как бы попадает в ионосферный волновод и проходит многие тысячи километров при относительно малом ослаблении. А вот подходящие условия для выхода волны из этого волновода обычно образуются в месте приёма при восходе или заходе Солнца. Обычно это даёт возможность принимать станции, расположенные на противоположный точке земного шара. Это явление наиболее явно выражено на низкочастотных КВ диапазонах. Продолжительность такого приёма в диапазоне 75 м может быть около часа. При переходе на более коротковолновые диапазоны это время сокращается.