Tornade
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Qu'est ce qu'une tornade ?
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Une tornade est un phénomène météorologique destructeur, qui prend habituellement naissance dans les courants ascendants de lignes d'orages ou d'orages supercellulaires, bien qu'il arrive parfois qu'il soit également engendré par un ouragan.
Étymologie
Le mot tornade vient de l'espagnol « tornado », lui même dérivé du verbe « tornar » (tourner).
Phénomène météorologique majeur
Les tornades éclatent sporadiquement et avec fureur, créant les vents les plus forts qui existent à la surface du globe et tuant chaque année plus de personnes que tout autre phénomène météorologique.
Il s'agit du fruit d'un orage, ou plus précisément de l'interaction d'un orage violent avec les vents de la troposphère, la couche atmosphérique active qui s'étend depuis le sol jusqu'à une altitude comprise entre 8 et 15 kilomètres. Une faible partie de l'énergie colossale de l'orage, coiffé de son cumulonimbus qui s'étend sur 10 à 20 kilomètres et sur une hauteur de plus de 17 kilomètres, se concentre alors dans une zone n'excédant pas quelques centaines de mètres de diamètre.
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Une tornade est donc un vortex (tourbillon) dont l'air tourne autour de l'axe de la tornade à peu près aussi vite qu'il se déplace le long de cet axe. Aspiré par la forte dépression du cœur central, l'air s'engouffre à la base du vortex proche du sol en traversant une mince couche d'air de quelques dizaines de mètres puis commence son mouvement giratoire ascendant autour du cœur pour se mélanger finalement, à l'extrémité supérieure cachée de la tornade, aux courants du nuage générateur.
La pression atmosphérique
La pression dans le cœur peut être inférieure de 10% à celle de l'atmosphère environnante (à peu près la même différence qu'entre la pression au niveau de la mer et à une altitude de 1000 mètres).
Le sens de rotation
Les vents dans une tornade sont presque toujours cycloniques : en raison de la force de Coriolis, ils tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère nord, et dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère sud. Toutefois, une minorité significative de tornades tournent en sens contraire. Au sein même de la tornade, la force de Coriolis est négligeable en comparaison à la pression atmosphérique et à la force centrifuge.
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Le vortex
Le vortex a généralement (mais pas toujours) la forme d'un nuage en entonnoir (le tuba) qui s'étend parfois jusqu'à terre. Ce tuba ne se forme que si la chute de pression dans le cœur dépasse une valeur critique, qui est fonction de la température et de l'humidité de l'air entrant.
Quand l'air pénètre dans la zone de basse pression, il se dilate et se refroidit. S'il se refroidit suffisamment, la vapeur d'eau qu'il contient se condense en gouttelettes. Plus l'air entrant est chaud et sec, plus la chute de pression doit être grande pour que la condensation puisse avoir lieu et que le tuba se forme. Parfois le tuba de condensation ne se constitue pas et l'on ne devine la présence de la tornade que par la poussière et les débris qu'elle emporte.
Le tuba mesure de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres de long et, au point de contact avec le nuage générateur, son diamètre est compris entre quelques mètres et quelques centaines de mètres. Généralement il a une forme conique, mais les tornades très fortes engendrent des colonnes cylindriques courtes et larges. On distingue aussi, assez souvent, de longs tubes qui ressemblent à des cordes et qui serpentent horizontalement.
Au cours de la brève existence d'une tornade (jamais plus de quelques heures), la taille et la forme du tuba peuvent beaucoup changer et refléter les variations d'intensité des vents ou des propriétés de l'air entrant. La couleur du tuba varie du blanc sale au gris et même au gris bleu foncé lorsqu'il est constitué principalement de gouttelettes d'eau; quand le cœur se remplit de poussière, le tuba prend une teinte plus originale, comme par exemple la couleur rouge de l'argile de certaines régions. Les tornades peuvent aussi être bruyantes, tel un rugissement parfois. Ce rugissement résulte de l'interaction des vents violents avec le sol.
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Comment se forment les tornades ?
Anatomie d'un orage à tornades
Les tornades prennent naissance dans les courants ascendants des orages. Les orages, quant à eux, apparaissent dans une atmosphère instable telle que lorsqu'une masse d'air commence à monter, sa vitesse croît au cours de la montée. Dans l'atmosphère, la pression, et en général la température, diminuent avec l'altitude, donc une masse d'air ascendante se refroidit en se dilatant, du fait de la diminution de pression.
Dans une atmosphère instable en revanche, la température de l'air ambiant diminue plus vite avec l'altitude que celle d'une masse d'air soulevée. Cette masse d'air peut ainsi devenir plus chaude et donc moins dense que le nouvel environnement et elle s'élève alors d'elle-même. Ce mouvement ascendant, que l'on appelle la convection libre, est un processus libérateur d'énergie, et l'énergie potentielle emmagasinée dans l'atmosphère instable se transforme en énergie cinétique de déplacement.
Dans la réalité, il est rare que la température de l'atmosphère diminue plus vite que celle de la masse d'air ascendante. Cependant, l'air au niveau du sol est en général humide. Quand il s'élève, il se refroidit jusqu'à son point de rosée, à un niveau appelé « niveau de condensation ascendante » (NCA) et la vapeur d'eau qu'il contient commence à se condenser. La condensation libère une certaine quantité de chaleur, la chaleur latente fournie à l'eau au moment de son évaporation. Il en résulte une diminution notable de la vitesse de refroidissement de la masse d'air ascendante.
Généralement, si l'on porte cette masse d'air à une altitude légèrement supérieure au NCA, elle atteint un niveau où elle devient plus chaude que l'air environnant : le « niveau de convection libre » (NCL). Elle s'élève alors librement jusqu'à ce que sa température soit de nouveau en équilibre avec la température environnante. Ce niveau d'équilibre correspond au sommet du nuage. La base plate à l'avant de l'orage se situe au NCA.
Une atmosphère instable est constituée en général d'une couche d'air de surface, humide et chaud, surmontée d'air froid plus sec. Ces deux couches sont souvent séparées par une zone d'inversion de température, c'est-à-dire une mince couche d'air où la température augmente avec l'altitude. Une masse d'air s'élevant à travers cette couche sera plus froide que l'air qui l'entoure et aura tendance à être repoussée vers le bas. L'inversion est donc très stable, elle empêche tout mouvement ascendant et rétablit l'équilibre.
Au cours de la journée, lorsque le sol est chauffé par le soleil, l'air emprisonné sous cette inversion se réchauffe encore plus et peut également devenir plus humide du fait de l'évaporation. Si la zone d'inversion est localement érodée par des mélanges avec la couche inférieure ou si des phénomènes à grande échelle la soulèvent en bloc, la couche de surface devenue très instable jaillit violemment à certains endroits. L'air à la surface du sol s'écoule alors horizontalement vers ces points d'éruption et forme de hauts nuages d'orage.
Une inversion locale peut s'atténuer ou même disparaître complètement si un courant jet stream passe au-dessus d'elle avec une force maximale (le jet stream est un courant de vents forts qui soufflent d'Ouest en Est à une altitude comprise entre 8 et 12 kilomètres). Le cœur du jet a environ 100 kilomètres de largeur (dans la direction Nord-Sud) et un kilomètre de hauteur. La vitesse des vents dans le jet varie entre 90 kilomètres à l'heure et un maximum estimé de 360 kilomètres à l'heure (les météorologistes évaluent généralement la vitesse des vents en mètres par seconde).
À l'intérieur du jet stream, des vents particulièrement intenses, soufflant sur plusieurs centaines de kilomètres, se déplacent dans le sens du courant en refoulant vers le bas l'air devant eux et en aspirant vers le haut l'air derrière eux. Ce phénomène d'aspiration ascendante, s'il est suffisamment fort, peut dissiper une inversion et favoriser la formation d'orages ou l'intensification des orages en cours.
Quand un orage engendre une tornade, on observe presque toujours cette configuration favorable des masses d'air à haute altitude. Même en présence d'une telle configuration, un courant ascendant n'apparaît que si l'air instable au voisinage du sol est poussé jusqu'à la convection libre; cette poussée mécanique indispensable a des causes diverses. L'une d'elles est l'ascension forcée de l'air le long d'une pente par des phénomènes météorologiques à grande échelle. On observe aussi ce genre de propulsion sur un front froid, où de l'air froid et dense s'avance dans une région plus chaude, se frayant un chemin sous l'air chaud en le soulevant.
Le basculement
Un orage violent fournit le courant ascendant intense et durable qui donne naissance à une tornade et qui évite que le cœur à basse pression ne se remplisse par le haut. Quand on observe le sommet d'un orage de ce type par satellite on remarque généralement une suite caractéristique de « bulles » ascendantes, constituées de nuages qui s'élèvent entre deux et quatre kilomètres au-dessus du niveau supérieur du nuage principal avant de retomber dans la masse nuageuse. Ces bulles dénotent la présence, dans l'orage, d'un courant ascendant intense et très structuré. Cependant, une tornade ne se forme que si l'air du courant ascendant se met à tourner : c'est ce qui arrive quand ce courant ascendant concentre le mouvement de rotation des vents horizontaux de la troposphère.
Tous les vents ne font pas l'affaire. Il apparaît qu'ils doivent être soumis à un cisaillement vertical très fort en direction et en intensité. La vitesse du vent doit augmenter avec l'altitude et son orientation doit virer du Sud-Est vers l'Ouest. Le cisaillement vertical du champ de vitesses du vent provoque un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal.
Pour comprendre pourquoi, imaginez une roue à palettes, d'axe horizontal, placée dans un champ de vent soufflant de gauche à droite. Si le vent qui frappe le haut de la roue est plus fort que celui qui souffle sur le bas, la roue se met à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. De la même manière, une masse d'air placée dans un champ de vent soumis à un cisaillement est animée d'un mouvement de rotation car le haut de la masse d'air se déplace plus vite que le bas.
Quand les vents entrent en interaction avec un fort courant ascendant, cette rotation autour d'un axe horizontal peut basculer et devenir une rotation autour d'un axe vertical. Le cisaillement de la direction du vent est ainsi une cause directe de la rotation verticale ; les vents qui tournent du Sud-Est vers l'Ouest engendrent une circulation cyclonique (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) de l'air qui s'engouffre à la base du courant ascendant de la dépression.
D'après les modèles usuels, la naissance d'une tornade à partir d'un violent orage se fait en deux étapes :
- Le courant ascendant de l'orage se met d'abord à tourner. La colonne d'air ascendante et en rotation, qui a un diamètre de 10 à 20 kilomètres, constitue le mésocyclone (si, par la suite, il engendre une tornade, ce qui n'est généralement pas le cas, on l'appelle un cyclone à tornades). Les observations par radar Doppler ont montré que le mouvement de rotation commence dans la troposphère moyenne, à des altitudes de quatre à huit kilomètres. Le basculement de l'axe de rotation semble être le mécanisme principal intervenant à ce stade.
- Ce courant tournant se propage ensuite vers le sol par un effet de « tube dynamique ». Le long de la colonne en rotation, le champ de pression est en équilibre avec le champ de vents où la circulation est fortement incurvée. En effet, la force dirigée vers l'intérieur, qui s'exerce sur l'air du fait de la faible pression qui règne au centre de la colonne, est équilibrée la rotation de l'air autour du centre de la colonne.
Dans ces conditions d'équilibre cyclonique, l'air circule facilement, autour et le long de l'axe du cyclone, mais il ne peut pratiquement pas s'en éloigner ou s'en approcher. Alors qu'auparavant une partie de l'air entrait dans la colonne ascendante à l'altitude des couches moyennes, maintenant la presque totalité de l'air s'engouffre à la base du tuba. Le cyclone se comporte comme un tube dynamique. Tout se passe comme dans le tuyau d'un aspirateur, hormis le fait que l'air n'est pas canalisé par les parois d'un tuyau mais par son propre mouvement tourbillonnaire. Il en résulte une intensification du courant ascendant et, par conséquent, un renforcement des vents qui convergent sous le cyclone. Du fait du cisaillement de la direction du vent, l'air qui s'engouffre dans le courant ascendant s'élève en tournant autour du centre de la colonne.
D'après une loi fondamentale de la physique, le moment cinétique d'une masse d'air par rapport à son axe de rotation vertical est conservé. Ce moment cinétique est égal au produit de la quantité de mouvement (la masse multipliée par la vitesse) par la distance à l'axe. Par conséquent, à mesure que sa distance au centre diminue, la vitesse de la masse d'air augmente. Elle se met donc à tourner plus vite de même qu'en patinage artistique la danseuse tourne plus vite quand elle ramène les bras le long du corps.
Donc, à la base du tube dynamique, la vitesse de rotation augmente ; cela provoque un allongement du tube vers le bas, par propagation du mouvement tourbillonnaire plus intense. Les masses d'air qui entrent à la base du tube tournent et montent en gagnant de la vitesse. Elles sont ainsi étirées verticalement. Cet étirement ramène le diamètre du mésocyclone à environ deux à six kilomètres, ce qui renforce encore la vitesse des vents : le moment cinétique de l'air, qui tourne maintenant à une distance plus faible de l'axe, est conservé.
Le basculement, l'effet de tube dynamique, la convergence et l'étirement vertical sont des processus qui s'entraînent mutuellement et qui peuvent, par la suite, former un mésocyclone dont le pied est à une altitude d'un kilomètre et le haut presque au sommet de l'orage à environ 15 kilomètres. Les vents de surface soufflent à des vitesses atteignant parfois 120 kilomètres à l'heure dans toute la région située sous la colonne tourbillonnante. La rotation dans le mésocyclone est cependant encore trop diffuse et trop éloignée du sol pour engendrer des vents de surface très violents.
C'est lors de la seconde étape que de tels vents apparaissent et qu'un violent orage donne naissance à une tornade quand se forme l'œil de la tornade. Pour des raisons que l'on ne comprend pas encore, une zone de convergence et d'étirement renforcés, d'un diamètre n'excédant pas un kilomètre, et un peu excentrée, se forme à l'intérieur du mésocyclone. Des observations par radar Doppler suggèrent ici encore que l'intensification de la rotation commence en altitude, à plusieurs kilomètres au-dessus du sol, puis se propage très rapidement vers le bas. Sur une si petite zone, le mouvement de rotation est assez fort pour que le tuba descende jusqu'à quelques dizaines de mètres du sol ; tout près du sol, les frottements empêchent l'établissement de l'équilibre cyclonique car ils ralentissent le mouvement de rotation.
Le gradient de pression entre le cœur de la tornade et l'atmosphère environnante aspire l'air à l'intérieur de celle-ci, à travers une fine couche d'air proche du sol. Du fait de l'inertie, le courant entrant va plus loin que son rayon d'équilibre, tout en conservant son moment cinétique et en gagnant de la vitesse quand il s'approche du centre du cœur, avant de se mettre à tourner brutalement et à monter en spirale. Par conséquent, les vents les plus violents soufflent dans une petite région en forme d'anneau à la base du vortex. Les frottements avec le sol limitent finalement la vitesse de l'air entrant à la base et empêchent donc la tornade de se remplir par le bas ce qui contribue à maintenir la dépression qui règne à l'intérieur.
La convergence et l'étirement
Un orage qui produit une tornade dure en général deux à trois heures et donne le plus souvent naissance à une seule tornade dont la durée de vie est relativement courte. La majeure partie de la durée de vie de l'orage est constituée des phases d'organisation et de dissipation. La période de maturité, au cours de laquelle l'orage est susceptible de provoquer une tornade, ne dure parfois que quelques dizaines de minutes. Au cours de cette phase, l'orage se déplace et emporte avec lui une masse sans cesse renouvelée d'air humide et instable. À de rares occasions, le courant ascendant et le cyclone à tornades qui l'accompagne atteignent un état stationnaire, et l'orage devient alors une « supercellule ». Dans certaines supercellules, l'intensité du cyclone croît et décroît rapidement, ce qui engendre une série de tornades. On a ainsi observé des « familles » de tornades comprenant jusqu'à huit membres disséminés sur une distance de 200 à 300 kilomètres. À de plus rares occasions, le cyclone reste actif pendant plusieurs heures et ne donne qu'une seule et longue tornade qui sème la désolation sur son passage. La tornade la plus destructrice que l'on ait jamais enregistrée est la tornade des Trois États du 18 mars 1925, qui provoqua la mort de 689 personnes sur un parcours de 352 kilomètres, du Sud-Est du Missouri au Sud-Ouest de l'Indiana, en passant par l'Illinois.
Les vortex des tornades ont des tailles et des formes très variées. Il est délicat de tirer des conclusions sur la dynamique du cœur du vortex à partir des observations du tuba car l'aspect de celui-ci dépend non seulement de la structure du cœur, mais aussi du degré d'humidité de l'air, des propriétés du sol et d'autres facteurs, et il peut même changer au cours de la vie de la tornade. On peut néanmoins énoncer quelques propriétés générales.
Les tornades classées « faibles » selon l'échelle mise au point par T. Fujita de l'Université de Chicago (la vitesse maximale des vents est alors comprise entre 65 et 180 kilomètres à l'heure) sont associées à un tuba unique non turbulent, souvent en forme de long cône dont le sommet est en bas et la surface lisse. Le tuba n'atteint généralement pas le sol et les vents verticaux les plus rapides soufflent le long de l'axe central. Au contraire, le vortex d'une tornade classée « forte » (pour des vitesses allant de 180 à 330 kilomètres à l'heure) est généralement turbulent et le nuage du tuba - une large colonne qui descend presque toujours jusqu'au sol - est tumultueux et bouillonnant. Dans ces tornades, les vitesses verticales les plus élevées sont atteintes dans l'anneau entourant l'axe central ; elles sont plus faibles sur l'axe central lui-même et peuvent même s'y inverser créant ainsi un courant descendant. Il existe bien évidemment des formes intermédiaires entre ces deux types de vortex.
La plupart des tornades classées « violentes » (plus de 330 kilomètres à l'heure) ont un aspect très différent : l'« œil » central est clair et calme et il est entouré de deux ou plusieurs vortex secondaires. L'air qui descend dans l'œil sans tourbillonner, est aspiré du haut par la pression extrêmement basse qui règne au niveau du sol ; l'œil est clair car les gouttelettes d'eau de l'air s'évaporent quand celui-ci descend et se réchauffe. Au sol, le courant intérieur rencontre le courant primaire venant de l'extérieur du cœur du vortex. Le courant résultant remonte et crée des vortex secondaires dans un anneau cylindrique autour du courant descendant central. Les vortex secondaires tournent à la fois très vite autour de leur axe hélicoïdal et autour de l'axe de la tornade. Il semble que les vents les plus rapides à la surface de la Terre, qui approchent 480 kilomètres à l'heure, soufflent à la base de ces vortex secondaires. La découverte de cette structure à vortex multiples entrelaces, au début des années 1970, est très importante car elle a permis d'expliquer les sillons cycloïdaux compliqués laissés sur le sol par les tornades les plus puissantes.
Caractéristiques d'une tornade
Si l'air en rotation entre en contact avec la terre ferme, on parle de tornade, tandis que s'il entre en contact avec de l'eau, on parle de trombe marine. À noter cependant que l'on observe fréquemment des trombes marines se former en l'absence de toute convection, ou de différences importantes de températures de surface.
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Une tornade peut survenir à tout moment de l’année, mais on les observe le plus souvent à la fin du printemps et en été. Lorsqu’une tornade touche le sol, elle se déplace à 45 kilomètres à l’heure environ mais peut atteindre 100 kilomètres à l’heure. L’entonnoir se déplace de façon sinueuse, généralement du sud-ouest vers le nord-est, mais peut changer de direction de façon soudaine.
L’échelle de Fujita mesure la puissance des tornades. Cette échelle est graduée de F0 (dégâts légers) à F5 (dégâts incroyables). Les tornades de force F5 s’accompagnent de vents de plus de 415 kilomètres à l’heure et sont capables d'arracher une maison de sa fondation et de projeter à plusieurs centaines de mètres des véhicules ou d'autres gros objets. Bien que statistiquement les tornades de force F5 ne représentent que moins de 1% des tornades, plus de 50 ont été dénombrées rien qu'aux États-Unis au cours du dernier demi-siècle.
Anatomie d'un tourbillon
En 1971, les premières mesures Doppler ont confirmé que les vents d'une structure «en crochet» tournent à une vitesse de 80 kilomètres à l'heure. Cette circulation apparaît à environ 5 000 mètres d'altitude ; puis elle engendre une rotation à plus basse altitude, qui précède toute tornade intense. En 1973, dans l'Oklahoma, on a observé une petite anomalie dans la distribution des vitesses d'un orage au même instant et au même endroit que l'apparition d'une violente tornade. Le radar n'avait pas la résolution suffisante pour montrer la tornade, mais il a décelé les brusques changements de direction des vents et des signes précurseurs dans les nuages. Un tel tourbillon apparaît à 300 mètres d'altitude environ, 10 à 20 minutes avant de rejoindre le sol. Il s'étire alors vers le haut et vers le bas, et atteint parfois 10 000 mètres de haut.
On peut s'appuyer sur cette signature des tourbillons pour avertir les populations menacées et leur conseiller de se mettre en lieu sûr (cave ou pièce protégée), mais on ne la décèle que sur des distances inférieures à 100 kilomètres. Pour des distances de l'ordre de 200 kilomètres, on déclenche l'alerte quand les radars Doppler détectent un mésocyclone.
En 1991, à l'aide d'un radar Doppler portable, on a décelé des vents de tornade soufflait à plus de 400 kilomètres à l'heure à proximité d'une puissante tornade. Bien que très élevées, ces vitesses sont loin des 750 à 800 kilomètres à l'heure qu'on proposait il y a 40 ans pour expliquer des observations incroyables, comme la découverte de morceaux de paille plantés dans des arbres (on suppose aujourd'hui que le vent ouvre les fibres du bois/ qui se referment ensuite en piégeant la paille).
Si un seul radar Doppler suffit à la prévention, l'étude des phénomènes nécessite un deuxième appareil Doppler, disposé à environ 50 kilomètres et présentant un autre angle de vue : on mesure alors la vitesse de la pluie dans deux directions différentes. En utilisant des équations de conservation de la masse de l'air et en évaluant la vitesse relative de la pluie par rapport à l'air en mouvement, les météorologues reconstruisent dans l'espace le champ de vitesses du vent et calculent des paramètres tels que la distribution des tourbillons à l'intérieur de l'orage. Ces études ont confirmé qu'une tornade naît sur le flanc de la colonne ascendante, à côté d'un courant descendant, et que l'air qui circule dans un mésocyclone s'enroule autour de la direction de son déplacement.
Une spirale infernale
L'année 1978 marque un progrès important dans la compréhension des mouvements de rotations dans les orages à tornades : Robert Wil-helmson, de l'Université de l'Illinois, et Joseph Klemp, du Centre américain de recherches atmosphériques, ont obtenu dans leurs simulations informatiques des supercellules réalistes qui présentaient des zones de précipitations en forme de crochet. À des temps successifs, en tout point d'un réseau tridimensionnel représentant l'espace, leur programme calculait les variations de température, de vitesse du vent et de changement d'état de l'eau entre ses diverses formes (vapeur, gouttelettes d'un nuage et gouttes de pluie).
Dans ce monde numérique, des supercellules se forment dans un état initial homogène, ce qui réfute l'idée largement répandue selon laquelle les tornades violentes résulteraient de collisions entre masses d'air différentes. En omettant dans les équations la rotation de la Terre, R. Wilhelmson et J. Klemp ont montré que celle-ci n'avait qu'un faible effet dans les premières heures d'existence d'udi orage. C'est plutôt la rotation du vent selon un axe vertical qui détermine le sens d'un tourbillon.
Dans l'environnement habituel des supercellules, les vents tournent avec l'altitude : au ras du soi, le vent souffle du Sud-Est ; à 800 mètres d'altitude, il souffle du Sud et, à 1500 mètres d'altitude, il vient du Sud-Ouest. De tels vents qui changent de vitesse ou de direction avec l'altitude engendrent une rotation. Imaginons en effet un mât vertical flottant librement dans l'air (sans point d'attache avec le sol) : si un vent du Sud souffle faiblement près du sol et plus fort en altitude, le mât tourne dans un plan vertical autour d'un axe Est-Ouest. Si maintenant le vent, au lieu de changer de vitesse, change de direction : il vient du Sud-Est près du sol et du Sud-Ouest eii altitude. Alors le mât se déplace vers le Nord, dans la direction du vent à mi-hauteur, mais son sommet est poussé vers l'Est, tandis que sa base est poussée vers l'Ouest : le mât tourne dans un plan vertical autour d'un axe Nord-Sud (voir la figure 4). Autrement dit, ce courant d'air tourne comme une hélice, autour de la direction de son déplacement.
Lorsque ce courant hélicoïdal pénètre dans une colonne ascendante, son axe de rotation est dévié vers le haut. Il communique donc à la colonne ascendante un mouvement de rotation cyclonique. Dans les années 1980, iious avons démontré cette théorie, que K. Browning avait proposée en 1963. Elle explique comment la colonne ascendante tourne à mi-hauteur, mais n'explique pas comment elle se met à tourbillonner très près du sol. En '1985, les simulations de J. Klemp et de Richard Rotunno ont montré que la rotation à basse altitude dépend du courant descendant de la supercellule, qui contient de l'air refroidi par l'éva-poration : quand cette évaporation n'a pas lieu, aucune rotation n'apparaît près du sol.
Les simulations ont montré, à notre grande surprise, que la rotation de basse altitude est amorcée au Nord du mésocyclone, dans la masse d'air légèrement refroidie par la pluie. Alors qu'à mi-hauteur, le courant descendant s'enroule, dans le sens cyclonique, autour de la colonne ascendante, une partie de l'air froid se dirige vers le Sud, avec, à sa gauche, l'air chaud pénétrant dans la supercellule et, à sa droite, de l'air encore plus froid. L'air chaud s'élève et soulève le flanc gauche de ce courant, alors que l'air froid de droite le bascule vers le sol. Ainsi commence le mouvement hélicoïdal de l'air froid autour de son axe de déplacement horizontal. Comme cet air froid descend en même temps son axe de rotation est dévié vers le bas ce qui donne une rotation anticyclonique. En 1993 nous avons montré que la rotation de ce courant d'air descendant s'inverse avant qu'il n'atteigne la surface. Une circulation d'air cyclonique peut apparaître près du sol. Cet air froid rasant est aspiré dans la partie Sud-Ouest de la colonne ascendante. À mesure que l'air converge vers cette colonne, la rotation s'accélère de même qu'une patineuse tourne plus vite quand elle ramène les bras le long du corps.
Nous cernons mieux comment naissent les vents tournants dans le méso-cyclone, à moyenne altitude et près du sol mais il nous reste à montrer pourquoi les tornades se forment. L'explication la plus simple est qu'elles résultent des frottements sur le sol. Cette explication semble paradoxale, puisque les frottements ralentissent généralement les vents. Toutefois un tel effet est connu dans une tasse de thé que l'on remue. Dans le liquide en rotation, un équilibre s'instaure entre la force centrifuge et la force de pression centripète due à la dépression créée au centre. Au fond de la tasse, le frottement réduit les vitesses, et donc la force centrifuge. Au fond de la tasse, le liquide se déplace alors vers le centre, comme en attestent les feuilles de thé qui se rassemblent sur le fond et au centre de la tasse. Cependant, en raison de cette convergence et de «l'effet patineuse», la rotation du liquide s'accélère : un tourbillon apparaît le long de l'axe de la tasse. Stephen Lewel-len, de l'Université de Virginie, en déduit que, dans une tornade, les vents les plus rapides soufflent dans les 300 premiers mètres au-dessus du sol.
Avec les frottements, on explique également la longévité des tourbil1ons.Une tornade crée un vide partiel en son cœur, car les forces centrifuges empêchent l'air d'y pénétrer. En 1969, l'Australien Bruce Morton a expliqué comment le vide se maintient : des forces d'Archimède intenses empêchent l'air de pénétrer par le haut. Près du sol, le frottement réduit la vitesse tangentielle de l'air, de même que les forces centrifuges, ce qui autorise l'arrivée d'un courant d'air dans le cœur. Cependant le frottement limite également cette alimentation et ne laisse pas passer assez d'air pour remplir le cœur. De cette manière, les tornades s'intensifient et se stabilisent, surtout lorsqu'elles entrent en contact franc avec le sol : l'alimentation se réduit à une mince couche d'air.
La théorie des frottements n'explique toutefois pas pourquoi le tourbillon qui constitue la signature des tornades apparaît en altitude, dans les nuages, et précède parfois de 10 à 20 minutes le contact d'une tornade avec le sol.
Remarques
On confond souvent les rafales descendantes et les tornades en raison de l’ampleur des dommages qu’elles engendrent. Cependant, les caractéristiques d’une rafale descendante diffèrent de celles d’une tornade. Par exemple, une rafale descendante se caractérise par le fait que de l’air qui n’est pas en rotation se précipite vers la surface de la terre à plus de 200 kilomètres à l’heure, alors qu’une tornade est formée par de l’air en rotation et en ascension. Les vents qui accompagnent une rafale descendante touchent une région limitée et durent quelques minutes à peine.
Par ailleurs, le terme tornade est souvent appliqué à divers tourbillons atmosphériques de même échelle, comme les tourbillons de flammes dans les grands incendies et les tourbillons de poussière communs dans les régions désertiques ou semi-arides.
Voir aussi
Trombe marine | Échelle de Fujita