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Les tornades
Généralités
Une tornade est un vortex de vents extrêmement violents, prenant naissance à la base d'un nuage d'un cumulonimbus lorsque les conditions de cisaillement des vents sont favorables dans la basse atmosphère.
Ce phénomène météorologique a un pouvoir destructeur supérieur à celui d'un cyclone tropical au mètre carré mais est de durée et d'étendue limitées : il concerne un corridor de quelques centaines de mètres de large sur quelques kilomètres de long. Certaines tornades ont engendré les vents les plus forts signalés à la surface du globe. Les tornades ont des caractéristiques propres et sont jugées par leur intensité à l'aide d'une échelle de mesure se nommant Fujita.
On parle de tornade si l'air en rotation entre en contact avec la terre ferme. Lorsque le phénomène ne touche pas le sol, on parle simplement d'un entonnoir nuageux. Lors d'un contact sur l'eau plutôt que sur le sol, on parle alors de trombe marine. Lorsque l'on observe des trombes marines se former en l'absence de nuages de convection, il s'agit d'un phénomène similaire à un tourbillon de poussière sur la terre ferme.
Une tornade se développe près du courant ascendant d'un orage se trouvant dans un environnement où les vents dans les premiers kilomètres de l'atmosphère changent non seulement de force mais également de direction avec l'altitude. Les orages supercellulaires sont le plus souvent associés avec des tornades en raison de la configuration particulièrement bien cisaillée des vents autour de ces derniers. Cependant, les vents descendants de lignes de grains ou les fronts de rafales entre les cellules d'orages multicellulaires peuvent aussi interagir pour en générer. Les cyclones tropicaux, où l'on retrouve des orages, sont également accompagnés de tornades. Il arrive même parfois que de faibles tornades se développent dans le courant ascendant d'un cumulus bourgeonnant.
Description
Le vortex a généralement la forme d'un nuage en entonnoir, appelé 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 relative de l'air entrant.
La pression dans le cœur peut être inférieure de 10 % à celle de l'atmosphère environnante. Pratiquement, le passage de la tornade corresponde à une variation de pression qui peut atteindre 100 hPa. C'est d'ailleurs l'origine principale des dégâts, les habitations « explosant » littéralement.
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 sein même d'une tornade, une balance s'effectue entre deux forces, la pression atmosphérique et la force centrifuge. La force de Coriolis ne s'ajoute pas car le diamètre et la durée de formation d'une tornade sont de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux nécessaires pour que cette dernière ait le temps de s'exercer. Étant donné que la direction de la force centrifuge dépend de la direction initiale de déplacement de l'air, elle n'a pas de sens prédéterminé.
Malgré cela, les vents dans une tornade sont presque toujours cycloniques dans l'hémisphère nord. En effet, leur vortex provient de la concentration d'une rotation des vents de large échelle qui eux sont soumis à la force de Coriolis. Toutefois, une minorité significative de tornades tournent en sens contraire. Cela est dû, en partie, à la friction s'exerçant près du sol, par le relief, qui peut orienter le début de la rotation et le sens du cisaillement vertical.
La vitesse de déplacement d'une tornade qui touche le sol est très variable mais peut atteindre occasionnellement 100 kilomètres par heure. L’entonnoir se déplace de façon sinueuse, généralement du sud-ouest vers le nord-est pour l'hémisphère nord mais peut changer de direction de façon soudaine.
Formation
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 pour la création d'une telle rotation. 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, il suffit d'imaginer 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 et fait s'engouffrer l'air à la base du courant ascendant de la dépression.
Lorsque 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.
Evolution
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 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 turbulente des vents violents avec le sol.
Caractéristiques
Un orage supercellulaire 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.
Les vortex des tornades ont des tailles et des formes très variées. L'aspect du tuba 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. Malgré ces nombreux fact, on peut énoncer quelques propriétés générales.
Les tornades classées « F0 ou F1 » selon l'échelle Tetsuya Théodore Fujita, 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 « F2 à F4 » est généralement turbulent et le nuage du tuba 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 des formes intermédiaires entre ces deux types de vortex.
La plupart des tornades classées « F5 » 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 entrelacés, 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.
Fréquence et période d'apparition
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. Aux États-Unis, les études ont montré que 54 % des tornades ont lieu au printemps et 27 % en été. Ces pourcentages sont reliés à la disponibilité des éléments nécessaires à la formation d'orages violents et varieront selon l'endroit. De manière générale, l'occurrence maximale de tornades se déplace du sud vers le nord dans l'hémisphère nord avec le réchauffement et l'apport d'humidité. Ainsi le plus haut pourcentage sera en mai dans le sud de la Tornado Alley, au début de l'été autour des Grands Lacs et en juillet-août dans le sud du Québec.
La même variabilité se retrouve dans le reste du monde. On peut parler par exemple de la France où le phénomène est relativement rare mais existe. Selon certaines Universités, durant la période de 1680 à 1988 on a recensé en France 107 trombes de classes F2 et plus dans l'échelle de Fujita. On les retrouve surtout de juin et août entre 16h et 19h TU. La région à plus fort risque se situe dans le quart nord-ouest de la France avec un deuxième secteur plus restreint près de la côte méditerranéenne. La moyenne est de deux tornades de ce type chaque année et le risque en un point du territoire français est environ 15 fois plus faible que dans les grandes plaines des États-Unis.
Naturellement, la fréquence des tornades plus faibles est plus grande. Le phénomène est surtout observé en France dans les zones côtières pendant la saison froide de novembre à mars et dans l'intérieur du pays pendant la saison chaude d'avril à octobre. Il survient en général lorsque de l'air maritime atlantique à moyenne altitude recouvre une couche de surface d'origine méditerranéenne. L'instabilité dans la couche de surface se développe pendant le passage de l'air au-dessus du sud de la France. Des études de cas suggèrent que les trombes ne se forment que si l'instabilité dans la couche de surface est encore augmentée par un réchauffement et une humidification localisés. La formation d'une dépression secondaire sur ou à proximité d'un front froid en provenance de l'ouest constitue une condition favorable supplémentaire au déclenchement d'orages à tornades. Ces conditions sont similaires à celles décrites dans la section formation et peuvent être étendues à plusieurs pays de l'Europe de l'Ouest.
Dégâts
Les dégâts laissés par le passage d'une tornade sont typiques et sont disposés selon un corridor de dégâts où les débris montrent des torsions et sont répartis de façon plus ou moins aléatoire dans et autour du corridor et pas seulement soufflés dans la direction de passage. En effet, une tornade est formée par de l'air en rotation et en ascension, les débris retomberont dans des directions diverses selon le flanc du tourbillon qui les a fauchés. Les arbres ou structures seront également souvent sectionnés à quelques mètres du sol dans le corridor de dommages et projetés au loin.
Selon un mythe, ce serait la différence de pression entre l'extérieur d'une maison et son intérieur qui causerait sa destruction par implosion et on devrait ouvrir les fenêtres en cas de tornade à proximité. En réalité, le vent du tourbillon brise la vitre, entre dans la maison, soulève le toit par effet de pression et les murs devenus sans support s'effondrent. Ouvrir les fenêtres est donc inutile. En vérité, les dégâts dans les tornades sont dûs aux facteurs suivants :
- La pression des vents à laquelle l'obstacle rencontré résiste jusqu'à son point de cassure.
- L'effet de Bernoulli autour des obstacles qui donne une différence de pression entre le côté face au vent et celui sous le vent par différence de vitesse d'écoulement. Cette différence de pression aide à soulever les objets comme l'air passant autour d'une aile d'avion donne la portance :
- Un véhicule est projeté.
- La toiture d'un bâtiment est soulevée comme une voile et retombe à côté de ses supports, ce qui cause un effondrement de la structure.
- Les projectiles engendrés qui retombent et causent des dommages secondaires.
L’échelle de Fujita mesure donc la puissance des tornades lorsque les dommages sont vraiment reliés avec ce phénomène. Cette échelle est graduée de F0 à F5. 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 ses fondations 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. Les morts causées par les tornades sont en général dues aux débris des édifices qui s'effondrent ou qui sont projetés vers les victimes. Il est relativement rare que la personne soit projetée elle-même par la tornade.
En 2007, le National Weather Service américain a introduit une version améliorée de l'échelle de Fujita qui décrit 28 types de dégâts que l'on peut rencontrer lors d'une tornade et donne une échelle d'intensité pour chacun de ceux-ci, ce qui aide à mieux classer la force des tornades. Cette échelle est similaire à l'originale mais les vents estimés ont été révisés selon des enquêtes plus poussées faites sur les dégâts causées par le vent à différentes structures.
| Echelle de mesure |
| Catégorie |
Vent estimé en km/h* |
Dégâts |
F0
F1
F2
F3
F4
F5 |
60-120 / 105-137
120-180 / 138-178
180-250 / 179-218
250-330 / 219-266
330-420 / 267-322
420-510 / >322 |
Dégâts légers / bout de toiture emportée
Dégâts modérés / toit emporté
Dégâts importants / maisons mobiles renversées ou détruites
Dégâts considérables / maisons plus solides détruites
Dégâts dévastateurs / les meilleurs bâtiments ne résistent pas
Totale dévastation |
| * Echelle originale / améliorée |
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