Os relâmpagos e raios são gerados dentro de uma nuvem de tempestade, geralmente entre a base da nuvem e a troposfera (a camada mais baixa da atmosfera, veja Figura 1). A maioria dos relâmpagos ocorre a uma altitude de cerca de 6 km a 10 km, mas eles também podem ocorrer a uma altitude maior, chegando a até 16 km.
Os relâmpagos são causados pelo acúmulo de cargas elétricas dentro da nuvem de tempestade. Quando as cargas elétricas se tornam suficientemente intensas, um canal de descarga elétrica é formado, o que resulta em um raio. A luz do raio é visível como um relâmpago, e o som é ouvido como o trovão.

• Troposfera, é a camada mais baixa e contém a maior parte da massa da atmosfera, incluindo todas as nuvens e o ar que respiramos. Ela se estende até cerca de 8 km acima da superfície terrestre.

• Estratosfera, começa a partir de cerca de 8 km acima da superfície e se estende até cerca de 50 km. Aqui, a temperatura aumenta com a altitude devido à presença de ozônio.

• Mesosfera, começa a partir de cerca de 50 km e se estende até cerca de 85 km. Aqui, a temperatura diminui com a altitude.

• Termosfera, começa a partir de cerca de 85 km e se estende até cerca de 600 km. Aqui, a temperatura aumenta novamente com a altitude devido à presença de partículas excitadas de gases.

• Exosfera, é a camada mais externa e se estende a partir de cerca de 600 km. Aqui, a densidade da atmosfera é muito baixa e praticamente não há ar suficiente para respirar.

A ionosfera é uma camada da atmosfera terrestre situada acima da estratosfera e abaixo da exosfera. Ela é composta por partículas ionizadas (átomos e moléculas que tiveram seus elétrons removidos pelo sol) e é importante porque é responsável por refletir as ondas de rádio de volta para a Terra, permitindo a comunicação de longa distância sem a necessidade de repetidores. As camadas da atmosfera mais baixas são geralmente isolantes, enquanto a ionosfera é condutora do ponto de vista de condução de corrente elétrica.

Formação dos raios e relâmpagos
Uma nuvem em movimento adquire cargas elétricas através do atrito na atmosfera, especialmente criado pelos cristais de gelo e queda de granizo (cuja existência é explicada pela baixa temperatura na altura das nuvens). A simples presença de uma nuvem carregada induz uma importante carga de sinal contrário no solo próximo à nuvem.
Tendo em vista que em condições atmosféricas de chuva a rigidez dielétrica do ar é bem menor, esta variação de potencial entre nuvem e solo pode gerar o raio, que corresponde a uma transferência de carga negativa para o solo no caso de uma nuvem negativamente carregada.
Os raios podem ocorrer entre nuvens ou entre nuvens e a superfície terrestre (Figura 2). Quando ocorrem entre nuvens e a terra, o raio parte da nuvem que é fortemente carregada negativamente e busca o caminho mais ionizado na direção da terra. Quando se aproxima da superfície, ele segue a direção dos pontos mais elevados, como torres metálicas e para-raios, pois isso permite o trajeto mais curto e também porque as pontas agudas desses objetos criam um campo elétrico relativamente intenso e ionizante ao seu redor.

A medida que o raio se aproxima, este campo se intensifica, bem como a ionização da região que envolve a ponta e o efeito corona, produzindo uma descarga que vai em direção ao raio.
A forma ideal de proteção contra raios é envolver a área a ser protegida (Figura 3) com uma estrutura metálica, mas isso frequentemente é inviável. Em vez disso, o método mais comum é instalar um cabo metálico conectado a terra na parte mais alta de um edifício, que é capaz de suportar correntes elétricas de vários quilo-amperes.

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