天电
天电（atmospherics或spherics）是由主要源为闪电的各自然电磁过程所产生的射频电磁场。但实际上，一些特殊人造过程，也不经意地产生类似现象。闪电的放电通道象是一个大型的天线系统辐射电磁能量信号，信号频率约低于100kHz时具有脉冲性质。观测到的天电波形A取决于闪电通道的天线特性（源信号S）、地面与电离层之间波导的散射特征（传播过程中的畸变因子P）。因此，距闪电为 d处接受到频率为f的天电频谱分量A（f）可写为(Pierce, 1977)：
A（f）＝S（f）P（d, f） (3-9)
因子S和P与几个参量有关，但与f的关系最密切。通常，频率范围可划分为三个频段，瞬变信号在各频段的交接处不应有突变，其特性应重合。表3-7列出了三个频段的天电特性。
表3-7 三个频段的天电特性
频段 | 近似特性 | |
闪电源信号 | 传播 | |
低频及更低频率 （< 300kHz） | 孤立的瞬变信号，其数量随频率的升高而增多 | 在地和较低部位的电离层之间所构成的准波导中传播 |
中频及高频 （300kHz?30MHz） | 存在大量的脉冲 | 取决于电离层的反射 |
甚高频及以上频率 （> 30MHz） | 开始时出现大量脉冲，然后随频率的升高而急剧减少 | 信号穿透电离层，以准视线方式传播 |
一个完整闪电所产生的信号，可认为是由许多不同尺度的偶极子辐射体所形成的。在天电研究中，d通常远大于闪电的尺度(l)；而f一般小于2dc/l2 ，其中c为光速。此时，单个辐射体所产生的垂直电场Ez和水平磁通量密度Bφ可近似写成：
 | (3-10) |
 | (3-11) |
式中ε0--介电常数；
μ0--自由空间的磁导率；
c--光速。
t时刻的“电荷”矩可写成 ，这里求和号是对高度为z、大小为qz的所有电荷元求和。由上述方程推算Ez和Bφ随时间的变化时，应考虑到传播时延，即采用M在 时刻的滞后值。对于经典偶极子辐射体而言，如M以频率f随时间变化，且 时，则上述两个方程中的最后一项，即电磁辐射场或“远场”分量起主导作用。因此，当频率大于1kHz时，相距50km就属于“远场”区了。所以在讨论天电问题时，几乎总是考虑远场信号，这时电、磁场之间存在线性关系；在直线通道的假定下，电、磁场波形的变化趋势完全一致（Uman等，1975）。
因为全球每秒约有100个闪电被激发，两个或更多的天电之间的干扰可以导致复杂的波形。为了研究单个波形的特征，一般要选择由附近源或在远距离的强源引起的充分大的弧立的脉冲。因为每个接收机有确定的频带宽度和有限的时间常数，因此不可能用单部仪器测量出闪电过程中的整个电磁场谱。具有大的时间常数的接收机主要测量附近闪电电场的缓慢变化。具有较高时间分辨率的仪器可以测量回击、先导和K过程等放电事件的辐射波形。图3-12分别给出了用三个不同频带的接收机在约50km的距离上观测到的一次对地闪电一系列放电过程所造成的电场变化。一般来讲，每次闪电的分立脉冲数随频率升高而增多，在30MHz附近脉冲数最多，然后复又减小。当频率增大时，较高部位的电离层对传播的影响愈来愈显著，频率高到一定程度天电便能穿透电离层。
图3-12 三个不同频带的接收机在约50km的距离上观测到的
一次对地闪电一系列放电过程所造成的电场变化（Pierce, 1977）
核爆炸时产生的电磁脉冲（NEMP）很像天电（Uman等，1982）。地面核爆炸的电磁能，在离源点约10km之内达到饱和场。在这个范围之外，能量传播象垂直电偶极子辐射的能量传播一样。该能量在地球波导内衰减，高频分量离源点几百公里距离之后被强烈抑制，只有低频分量（f<100kHz）保持与天电波形相似的波形。因此对天电的研究也提供了对核爆炸电磁脉冲（NEMP）研究的途径。
舒曼共振与全球闪电
1952年舒曼(Schuman, 1952)首次指出，地球和电离层可以构成一个谐振腔体，腔体中存在一个特殊的谐振频率，这一频率主要由地球的尺寸决定，并由全球的闪电放电激发。谐振频率近似为：
fm=[m（m + 1）]1/2(c/2πr)(Q-1/Q)1/2 (3-8)
式中m 为谐振阶，m = 1,2,3,…；c为光速；r为地球半径；Q为阻尼损耗因子。对于理想传导界面，Q为无穷大，f1=10.6Hz。实际上由于地球和电离层的有限电导率产生的损耗，所以f1=7.5Hz。
由于舒曼共振是由闪电触发的电离层与地面之间的全球电振荡，因此共振活动反映了全球的闪电活动。雷暴活动可以产生强烈的闪电放电，闪电频数和强度直接反映了雷暴云的动力和电结构，例如上升气流的强度、对流性降水的体积以及液态水含量等，而后者又与大气中的温度层结和不稳定能量有关，全球闪电频数和强度在相当程度上表征了全球雷暴频数和强度。观测发现舒曼共振和电离层电位具有同步变化特征(Markson, 1985)，舒曼磁场与平均气温距平的变化趋势一致(Williams, 1992) ，全球闪电活动是全球长期气候变化的指示器之一。因此利用舒曼共振现象对全球闪电的探测以及它在全球气候变化中的应用正受到越来越多的重视。详细研究可以参看Satori and Zieger(1996), Schlegel and Fullekug(1999), Williams（1994）。
啸声
Storey(1953)曾指出，回击所形成的甚低频信号（VLF）往往有一部分穿透电离层而进入磁层。然后，信号沿着地磁场的磁力线，又一次穿透电离层而返回地球。由于信号在磁层中传播时发生频散，因而原来的尖脉冲就以一种音频（VLF）电磁波返回地球，被称为“啸声”。啸声的音调逐渐降低，即高频部分比低频部分先到达地球。
啸声的研究和一般天电研究密切相关，但由于啸声又是研究磁层状况的有力工具，因此啸声的研究课题很分散，而且日益变得复杂起来（Horner，1970）。在磁层中既存在波道传播，也存在非波道传播，在沿波道传播时，传播与磁层动力学有关；磁层的电子浓度和离子浓度以及它们的特性，对两种传播方式都有影响。
闪电产生啸声，但它的过程主要涉及电离层及磁层，与我们所关心的灾害没直接关系。在此，不再详述。
