O ar é formado de uma mistura de gases (nitrogênio, oxigênio, vapor d’água e aerossóis). A atmosfera da Terra pode ser dividida em:
1. Troposfera;
2. Estratosfera;
3. Mesosfera;
4. Termosfera.
A tropopausa é o limite entre a troposfera e a estratosfera, onde a temperatura pára de diminuir e começa a aumentar com a altura. A estratopausa, nível de temperatura máxima cerca de 270 K, separa a estratosfera da mesosfera. A mesosfera, nível de temperatura mínima cerca de 180 K, separa a mesosfera da termosfera.
A temperatura da troposfera varia com o tempo e o local, podendo apresentar inversões, ou seja, a temperatura vai aumentar de acordo com a altura dentro das camadas finas.
A altura da tropopausa depende do tempo, do local e da latitude.
A atmosfera, de acordo com a condutividade e com os íons, pode ser dividida em:
1. Atmosfera inferior (correspondente à troposfera);
2. Média atmosfera (correspondente à estratosfera e mesosfera);
3. Atmosfera superior (correspondente à termosfera).
A atmosfera inferior e a média atmosfera são fracas condutoras, pois há pouca concentração de íons, que são criados pela ionização de moléculas neutras de ar. Essa ionização resulta na criação de elétrons livres e íons positivos. Esses íons são ligados a moléculas neutras produzindo íons negativos. A produção de íons por raios cósmicos varia com a altitude e a latitude e depende das características do solo. Em particular, nos oceanos ela é várias ordens de magnitude menor do que nos continentes. Nessa parte da atmosfera os íons negativos e positivos movem-se em resposta aos campos elétricos. Durante seu movimento eles colidem com partículas neutras, que tentam impedir o movimento. A mobilidade facilita a movimentação dos íons através das partículas neutras, que dependem da massa e da carga dos íons, da densidade de partículas neutras e da temperatura.
A condutividade é a capacidade da atmosfera de conduzir uma corrente elétrica. A atmosfera inferior e média atmosfera são isotrópicas, sendo dada pelo produto da densidade de íons, a carga dos íons e a mobilidade. Somente os íons pequenos contribuem para a condutividade, desde que a mobilidade dos íons grandes seja menor.
A razão de ionização também dependente das condições meteorológicas e das atividades geomagnética e solar. Após os íons serem formados, eles reagem com as moléculas neutras e prende-se a moléculas de água, formando aglomerados de íon, que são relativamente estáveis e constituem a maioria dos íons de tamanho molecular. Em geral, grandes íons estão presentes na atmosfera em menores concentrações do que os pequenos íons, exceto em regiões com altos níveis de poluição onde podem ser mais numerosos.
Existem mais íons pequenos positivos do que negativos e a diferença é responsável pela existência de uma carga líquida positiva na atmosfera, que faz com que um processo adicional de íons exista e produza iguais concentrações de íons negativos e positivos. Um destes processos é chamado descarga pontual ou corona, e está associado com largos campos elétricos que ocorrem próximos às tempestades. À medida que o campo elétrico aumenta, o campo ao redor de objetos pontiagudos alcança valores suficientes para a quebra de rigidez do ar, produzindo pequenas descargas na atmosfera. Como conseqüência, um largo número de íons de uma polaridade é injetado na atmosfera. Os íons de uma só polaridade podem também ser formados na atmosfera próximos a quedas d’água e por ondas nos oceanos.
A presença da superfície da Terra influencia a concentração de íons, aerossóis e partículas radioativas através da distribuição de ventos, temperatura e vapor d’água. Essa influência é dominada pela turbulência. A camada na qual esta influência é significativa é chamada camada planetária ou camada limite e essa camada é altamente variável, indo de dezenas de metros até 3 km acima do solo. A maioria das medidas elétricas na atmosfera é feita dentro desta camada.
Na atmosfera superior existem íons negativos, positivos e uma considerável quantidade de elétrons livres. Os elétrons podem se unir às moléculas neutras criando íons negativos. Os elétrons e íons criados por este processo tornam a atmosfera um razoável condutor, formando uma região chamada ionosfera. A ionosfera pode ser considerada neutra. A densidade de elétrons na ionosfera varia de acordo com a hora do dia, altitude, latitude, atividade solar e outros efeitos locais. A maior variação da densidade de elétrons ocorre ao longo do dia em função da variação da radiação solar. À noite a fotoionização é devida à radiação solar espalhada por átomos de hidrogênio das camadas mais externas da atmosfera e é muito menor do que de dia.
A magnetosfera está localizada na parte superior da ionosfera, onde a dinâmica das partículas é governada pelo campo magnético da terra. Os íons, prótons e elétrons nesta região são originários da ionosfera e do vento solar. A magnetopausa está localizada no limite superior da magnetosfera. Na parte interna da magnetosfera, partículas carregadas são aprisionadas pelo campo magnético formando cinturões de radiação ao redor da Terra.
Na atmosfera inferior as condutividades de íons negativos e positivos não são exatamente iguais. A condutividade na atmosfera inferior e na média atmosfera aumenta com a altitude. A condutividade também varia com a latitude devido à variação da intensidade de raios cósmicos, e tende a ser maior em altas latitudes. Perto da superfície da Terra, a condutividade apresenta variações em associação com a presença de neblina ou poluição. Na atmosfera superior, a condutividade é anisotrópica devido ao fato da mobilidade de íons e elétrons dependerem da direção do campo magnético.
A condutividade da atmosfera dá origem a uma propriedade denominada tempo de relaxação, que representa o tempo para a atmosfera blindar a carga de um objeto imerso nela por um fator de e-1 (0,37). O tempo de relaxação, em condição de tempo bom, é dado pela permitividade do ar dividida pela condutividade. Após cerca de cinco vezes o tempo de relaxação, toda a carga do objeto será blindada. Perto do solo, o tempo de relaxação é cerca de 10 minutos. À medida que a condutividade aumenta com a altitude na atmosfera, o tempo de relaxação diminui. Em 10 km, o tempo de relaxação é cerca de 1 minuto.