Fırtınalar, atmosfer belirli bir dizi koşul sunduğunda ortaya çıkar. İlk olarak, su buharıyla birlikte büyük sıcak, nemli hava kütleleri, daha soğuk hava katmanlarından yükselir. Bunlara konveksiyon akımları denir .
Hava kütleleri yukarı doğru hareket ettikçe, aynı miktarda alanda daha fazla molekül içerdiğinden daha yoğun olan soğuk hava ile dolu bir boşluk bırakırlar.
Bu hava kütleleri , kaynayan su ısıtıcısının dibindeki hava kabarcıklarının yaptığı gibi dolaşır . Isıtmalı zemin, kendisiyle temas eden havanın sıcaklığını arttırır. Bu ısınan hava, hemen üstündeki tabakadaki havadan daha hafif ve daha az yoğundur ve yukarı doğru itilmeye başlar.
Olarak ısıtılmış hava yükselir , bu da genişledikçe, ısı kaybeder, genişler, ve. Bu hava cebi öncekinden biraz daha soğuk olmasına rağmen, yükselen havanın içinden geçtiği çevredeki hava katmanları hala daha soğuk ve daha yoğun olduğu için yukarı doğru itmeye devam ediyor.
Yükselen hava, içerdiği tüm su moleküllerini gaz halinde (su buharı) tutamayacak kadar soğuduğunda, su buharı yoğunlaşarak havada yüzen milyonlarca küçük su damlasına dönüşür. Küçük damlalar, güzel olmasa da , fırtınayı başlatmaya hazır büyük bulutları oluşturur .
Gök gürültülü fırtınaların başlangıcında oluşan bu bulutlara kümülonimbüs veya derin kümülüs bulutları denir . Bir kişi onları kolayca tanıyabilir çünkü dev mantarlara veya örslere benziyorlar ve diğer bulut türleri ile aralarındaki büyük fark, çok çok daha büyük olmalarıdır.
Bu devasa bulutların tabanları tipik olarak yerden 300 ila 900 metre yüksekliktedir. Çok kuru bölgelerde, bu bulutlar 4 ila 8 kilometre yüksekliğe kadar çıkabilir. Ekvator çevresindeki Dünya’nın daha nemli bölgelerinde, bu bulutlar yüzeyden 11 ila 15 kilometre yüksekliğe ulaşabilir .
Su buharı yoğunlaştığında ısı şeklinde enerji açığa çıkar. Bu ekstra ısı, yoğunlaşan su buharını çevreleyen havanın sıcaklığını arttırır ve yükselen hava kütlesini daha da yükseğe iter.
Bir fırtınanın gelişmesi için gereken kritik bir koşul, konveksiyon akımlarının çevresindeki ortamın sıcaklığının, akım içinde yükselen havanın sıcaklığından daha hızlı düşmesidir. Bu koşul karşılanırsa, atmosferin kararsız olduğu söylenir.
Konveksiyon akımlarındaki su buharı, yükselen akımın sıcaklığının o kadar düştüğü bir yüksekliğe ulaşır ki, minik su damlacıklarının tekrar fazlarını değiştirmesi gerekir. Bu yükseklikte buz kristallerine dönüşürler ve gökyüzünde süzülemeyecek kadar büyük olduklarında yere doğru düşmeye başlarlar. Yere giderken erirler ve tekrar yağmur damlalarına dönüşürler. Serbest düşüşleri sırasında, yükselen hava akımlarıyla tekrar çarpışacaklar. Sadece en kalın yağmur damlaları akıntılardan geçerek yere ulaşır.
