L'idée d'une forme chimique pour le stockage de l'énergie dans les boules de feu a été émise pour la première fois par Arago au milieu du siècle dernier. De nombreuses autres hypothèses ont été suggérées, mais elle reste, hormis quelques suggestions extravagantes, la seule plausible pour stocker une énergie importante (une dizaine de kJ.cm^-3).

Nous allons voir comment ce modèle permet de décrire la formation d'une boule de feu et d'expliquer ses propriétés.

Formation de la boule de feu

Les boules de feu apparaissant en général pendant un violent orage, nous allons supposer qu'un impact de foudre a lieu. En frappant le sol, il soulève un nuage de particules sous forme d'aérosol (une suspension de particules dans l'air). Ces particules, de taille micro voire nanométriques, sont chargées négativement (ou positivement dans certains cas d'orage).
Ce nuage de gaz et de poussières constitue la matière première de la boule de feu. Mais, à l'état brut, il ne permet pas d'expliquer le phénomène. En effet, Krainov a démontré qu'en l'absence de structure interne, celle-ci se désagrègerait en moins d'une seconde à cause des courants de convection qu'elle génère.
L'existence d'un squelette assurant la stabilité de la boule de feu est confortée par les travaux, d'Alexandrov et al.. La compétition entre les forces de Van der Waals et autres forces à courte portée, qui font adhérer les particules entre elles, et la répulsion électrostatique, peut conduire à un agrégat de structure fractale possédant un minimum de rigidité et dont l'état d'équilibre correspond à une forme sphérique.

Ces propriétés, et en particulier la dimension fractale, dépendent de la façon dont les particules s'assemblent. On s'accorde à penser qu'on a initialement de très fines particules, qui s'assemblent pour former des agrégats de plus en plus gros, en acquérant la structure fractale au fur et à mesure.

Les observations de foudre en boule conduisent à penser que sa formation est très rapide (moins d'une seconde) ; ceci est tout-à-fait possible avec ce modèle, à condition que la densité de particules dans l'air soit suffisante et que leur rayon soit très petit (de l'ordre du nanomètre).
Une autre méthode pour estimer le rayon des particules est de remarquer que les boules de feu "flottent" dans l'air. Une force dirigée vers le haut compense donc le poids de la structure : cette force est dûe aux courants de convection générés par l'échauffement de la boule, les gaz chauds traversant la boule de bas en haut. À partir de la température que nous allons estimer plus loin, l'ordre de grandeur obtenu pour la taille des particules est similaire. Ce modèle est donc bien cohérent avec les propriétés mécaniques des boules de feu.

Cette structure mise en place, elle va dégager de l'énergie, grâce à des réactions chimiques.

Les processus chimiques mis en jeu

La réaction qui a lieu fait appel à un carburant, qui est très certainement contenu dans les nanoparticules : rappelons que les éléments que l'on trouve majoritairement dans le sol sont l'oxygène et le silicium (ainsi que le carbone en présence de matière organique). Suite à l'action de la foudre, on peut les trouver sous n'importe quelle forme (réduite ou oxydée).
Cependant, la boule de feu se consume de façon intense, et pendant une durée assez longue (une dizaine de secondes au moins). Les mécanismes chimiques mis en jeu doivent donc être compatibles avec ces observations. Il existe donc un phénomène qui ralentit la réaction et l'empêche de s'emballer immédiatement (souvent la boule explose en fin de vie).
Deux modèles ont été proposés :

• Le premier suggère un mécanisme réactionnel suffisamment complexe possédant plusieurs étapes lentes limitant la vitesse de réaction globale. Un tel exemple a été étudié par Plukhin. Son bilan global est donné par : C + O₃ -> CO₂,CO . Ce mécanisme comporte plusieurs étapes lentes ; de plus l'énergie libérée est comparable à celle de la combustion "classique" du carbone, et donc acceptable pour une boule de feu. Enfin, elle met en jeu de l'ozone, une molécule dont on a constaté l'abondance pendant les orages.

• Une autre réaction, étudiée par Massoud et Plummer, pourrait également convenir : l'oxydation lente du silicium et de ses dérivés SiC et SiO par du dioxygène ou de l'eau (qui est elle aussi abondante pendant un orage). La formation de silice à la surface des particules conduit à leur passivation (formation d'un couche d'oxyde protectrice), qui limite la réaction et permet à la boule de survivre quelque temps.

La provenance de la lumière

Les réactions dont nous avons parlé ne permettent pas à elles seules d'expliquer la principale propriété de la boule de feu : elle est lumineuse.
Smirnov a émis l'hypothèse que la boule de feu contienne des particules riches en sodium et/ou en potassium qui, échauffées par la réaction chimique, émettraient des photons correspondant à certaines transitions. Cela expliquerait pourquoi on a observé des boules de couleurs variées : elles correspondraient à des compositions chimiques et des températures de combustion différentes.
L'auteur en a même déduit des paramètres quantitatifs :

• la température des zones émettrices de lumière (afin qu'elles émettent dans le visible) : 2000 K.
• leur taille : 1 à 100 microns.
• leur nombre (déduit de la puissance lumineuse approximative) : 10³ à 10⁵.

Ainsi, ce que l'observateur voit comme une boule de feu serait en réalité une boule de substances que la foudre a extraites du sol, et qui produit de la lumière en de nombreux points très localisés. Ceci explique la luminosité moyenne du phénomène.

Plus récemment, Abrahamson et Dinniss ont suggéré un modèle plus simple : l'échauffement se produirait principalement au coeur de la boule, suivant une symétrie sphérique. Le rayonnement de corps noir ainsi généré serait dans le spectre visible (blanc, jaune ou rouge selon la température). À ce rayonnement on peut ajouter comme l'avait suggéré Smirnov des émissions d'atomes et de molécules excités afin de produire les couleurs plus "froides" qui ont été quelquefois observées.

Propriétés électromagnétiques

Nous avons déjà vu que la charge globale de l'agrégat fractal lui permet de ne pas s'effondrer sur lui-même. Toujours en se basant sur le modèle d'Alexandrov, Smirnov a estimé la charge que devait porter la structure pour être stable : elle est de l'ordre de 10^-6 C. Ceci crée un potentiel électrique de l'ordre de 50 kV au niveau de la surface, par rapport à l'environnement.
Cette charge permet d'expliquer plusieurs propriétés de la boule de feu :

• Les personnes l'ayant trop approchée ont été électrisées (sans gravité, l'énergie électrique stockée étant faible).
• La boule de feu est attirée par les structures métalliques : la charge induit des dipôles dans le métal, ce qui crée une interaction attractive.
• Elle se comporte étrangement au voisinage de fils électriques : les phénomènes magnétiques à l'intérieur de la boule étant très mal connus, leur interprétation est délicate.

En conclusion, il nous semble que le modèle chimique est l'un des plus prometteurs, car il permet d'expliquer un bon nombre des propriétés de la foudre en boule. Des expériences sont en cours pour tenter de le valider, mais il nécessitera certainement quelques aménagements avant de pouvoir correctement décrire le phénomène.