Quels processus météorologiques et physiques sont à l’origine de la formation d’une tornade ?

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Heureusement, des conditions inhabituelles doivent être réunies pour qu’une tornade se forme ! Et heureusement, avec un diamètre de quelques mètres à un kilomètre, elles sont de bien plus petite ampleur qu’une tempête tropicale (ouragan, typhon ou cyclone), et leur durée varie de quelques secondes à une heure ! Néanmoins, là où ces tourbillons de vents violents font rage, ils laissent des traces visibles. En effet, les tornades ne restent pas cantonnées à un endroit, mais elles laissent des chemins de destruction massive dans les villes et les campagnes et - à des vitesses dépassant les 100 km/h, voire 500 km/h dans les cas extrêmes - elles balaient à peu près tout sur leur passage, même ce qui est cloué au sol. Et, dans le meilleur des cas, il n’est possible de les prédire qu'à très court terme.

Les tornades sont fascinantes : libération indomptable de puissance et d’énergie, tourbillon en forme d’entonnoir, rugissement effrayant, parcours en zigzag irritant, le tout accompagné de nuages orageux sombres et de fortes précipitations, de grêle et de rafales de vent. Au Luxembourg aussi, une nouvelle tornade s’est abattue cette année sur le nord du pays. Et beaucoup se souviennent de la tornade qui a fait des ravages dans le sud du pays en 2019. 

Vous souhaitez comprendre les processus météorologiques ou physiques qui sont à l’origine de la formation d’une tornade ? En guise de récompense, vous recevrez une bonne dose de connaissances scientifiques sur le vent et la météo, qui vous aideront à comprendre aussi d’autres phénomènes météorologiques tels que la formation de nuages orageux.

Aujourd’hui, les scientifiques n’ont toujours pas entièrement élucidé le phénomène des tornades, notamment pour ce qui est de leur formation. Les principes de base sont toutefois bien connus.

Les tornades peuvent se former lorsque :

  • l’air chaud et humide à proximité du sol est recouvert d’air froid et sec en altitude, et que
  • la vitesse et la direction du vent changent avec l'altitude.

Ce phénomène peut se produire dans un énorme nuage orageux à haute altitude - appelé supercellule - dans lequel l’air ascendant commence à tourner autour d’un axe vertical lorsque certaines conditions sont réunies. Mais cela ne suffit pas pour qu'une tornade se forme. Il doit aussi y avoir des tourbillons d’air à hauteur du sol qui tournent d’abord autour d’un axe horizontal, puis se déplacent sur un plan vertical au fil du temps. Si un grand nombre de tourbillons à proximité du sol s’accumulent en dessous du courant ascendant en rotation de la supercellule, ce dernier peut regrouper les tourbillons et les tirer vers le haut par un effet de succion. Ainsi, après un certain temps, le tourbillon de vent caractéristique des tornades se forme, s'étendant du sol jusqu'au nuage.

Pour en savoir plus sur les différentes étapes, consultez cet article. Et d’ailleurs : toutes les supercellules ne produisent pas automatiquement des tornades (seul dans près de 20 % des cas, les conditions sont réunies). Et les tornades peuvent aussi se former indépendamment d'une supercellule. Dans cet article, nous nous concentrons sur les tornades qui se forment en lien avec les supercellules.

Étape 1 : Comment se forme une supercelulle ?

Une humidité de l’air élevée près du sol est nécessaire pour qu’il puisse y avoir condensation, c’est-à-dire formation de nuages. Et la température doit diminuer suffisamment entre le sol et le sommet des nuages, en tout cas plus que dans l’atmosphère standard (voir Infobox 1 ci-dessous).

L’atmosphère est donc très instable (voir Infobox 3), d’autant plus que l’air chaud ascendant contient beaucoup de vapeur d’eau (Infobox 4), qui se condense pendant l’ascension et dégage ainsi de la chaleur de condensation. L’air qui circule vers le haut reste plus chaud que l’air environnant tout au long de l'ascension. La force ascensionnelle (Infobox 5) l'emporte donc sur le poids. C’est ainsi qu’un courant ascendant vigoureux se produit, entraînant la formation de gigantesques nuages orageux, les cumulonimbus (Figure 1).

Et, parce qu’une grande quantité d’air circule vers le haut (courant ascendant), une grande quantité d’air doit également circuler vers le bas (courant descendant). Dans l’ensemble, il y a une énorme circulation des masses d’air, l’une des conditions préalables à la formation de tornades.

Figure 1 : Nuage cumulonimbus calvus au premier plan et Cumulonimbus incus (enclume) derrière.
Source: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cumulonimbus_.jpg)

Mais il faut un autre élément pour la formation d’une supercellule et donc aussi pour que des tornades se développent: le cisaillement vertical du vent (Infobox 6). Cela signifie que la vitesse du vent augmente vers le haut et/ou que le vent change de direction. Une rotation initiale de l’air en circulation a donc lieu, un tourbillon d’air doté d’un axe de rotation horizontal.

Lorsque le flux d'air en rotation s'approche de la grande zone où se produisent les courants ascendants, l'axe de rotation bascule de l'horizontale à la verticale. Dans le nuage orageux se développe un vigoureux courant ascendant tourbillonnant de 2 à 10 km de diamètre, que les météorologues appellent « supercellule » ou encore « mésocyclone » (Figure 2).

Figure 2 : Représentation schématique d’une supercellule vue du sud
Source: Wikimedia Commons

Les supercellules atteignent des hauteurs de 12 à 15 km. Les températures y sont de -70 °C. Le courant ascendant d’une supercellule atteint 60 km/h et la température peut y être supérieure de jusqu’à 15 °C par rapport à l'air environnant. Un vent fort souffle en altitude, à des vitesses souvent supérieures de 80 km/h à celle de l’air près du sol. Ce n’est que dans ces conditions que peut se développer une supercellule, dont la durée de vie est de quelques heures. En l’absence de vents forts en altitude, les précipitations tomberaient dans la zone même où se produit le courant ascendant. Celui-ci serait fortement entravé, en d’autres termes, le moteur du nuage orageux serait défaillant et le nuage orageux se dissiperait rapidement.

En revanche, les vents forts en altitude déplacent la zone de précipitations (= zone de courant descendant) par rapport à la zone de courant ascendant. Le nuage s’« incline » pour ainsi dire, si bien que les vents ascendants et les vents descendants sont séparés physiquement. La longévité de la supercellule est garantie.

Dans le Midwest américain (Texas, Oklahoma, Kansas, Nebraska), où se produisent le plus de tornades au monde, s’accumulent des nuages orageux avec des supercellules, qui font la moitié de la taille de l'Allemagne. Les conditions y sont particulièrement favorables à la formation de tornades, car l’air chaud et humide du Gulf Stream rencontre l’air froid et sec des montagnes Rocheuses.

Figure 3 : La photo de Bernd März montre une supercellule HP près d’Annaberg (Saxe) le 25/06/2016. (Source: https://wetterkanal.kachelmannwetter.com/was-ist-eine-superzelle/)

Une supercellule est loin d’être une tornade, mais une tornade peut se former dans la zone d’influence à proximité du sol d'une supercellule. Cependant, deux étapes supplémentaires sont nécessaires pour que ce type de phénomène se produise.

Étape 2 : Formation de tourbillons à proximité du sol

Dans la supercellule, le courant ascendant tourbillonne le plus fortement à une altitude de plusieurs kilomètres. Pour qu’un tourbillon se développe dans l’air à proximité du sol, il a besoin de l’aide du vent descendant. Ce dernier se forme là où tombent les précipitations. En effet, les précipitations entraînent l’air vers le bas avec elles, de la même manière qu'un grand peloton dans une course cycliste sur route entraîne l'air avec lui. Lorsque l’air descend, il est chauffé, mais comme l’eau s’évapore et que les cristaux de glace fondent, la chaleur se perd à nouveau (voir Infobox 4). Le courant descendant est donc plus froid que l’air environnant. Au sol, le courant descendant se dissipe, formant la vigoureuse rafale froide en provenance de la zone de précipitation, juste avant le début des précipitations.

La majeure partie du vent descendant revient vers la zone de courant ascendant. L’environnement de ce flux d’air est caractérisé par un changement de température horizontal conséquent : d’un côté, l’environnement est plus chaud que de l’autre, ce qui crée un tourbillon, c’est-à-dire une vorticité, autour d'un axe horizontal. Du côté plus chaud, l’air est plus léger et a tendance à monter. Du côté plus froid, il est plus lourd et descend. C’est comme lorsqu’on tire le volant d’une voiture vers le haut à gauche et vers le bas à droite : le volant tourne. Cette vorticité se produit au niveau du sol et est beaucoup plus forte que celle qui apparaît en raison du cisaillement dû au courant ascendant à une certaine hauteur. De plus, l’axe vertébral initialement horizontal se redresse progressivement pour devenir vertical (Figure 4).

Figure 4 : Représentation schématique des connaissances actuelles sur la formation des tornades avec les supercellules. Reproduit avec autorisation - Copyright: Prof. Paul Markowski, Penn State University.   

La formation de tourbillons du courant descendant en direction du courant ascendant décrite ci-dessus a été représentée de manière très simplifiée ici. Dans tous les cas, on pense qu’elle est le facteur dominant dans la formation de supercellules à proximité du sol, comme le révèlent les observations sur le terrain ainsi que les simulations numériques.

Étape 3 : Renforcement de la vorticité à proximité du sol

La vorticité à proximité du sol correspond à environ un centième de la vorticité d’une tornade. Pour qu’une tornade se forme, elle doit donc être considérablement renforcée.

L’amplification se fait par le biais de ce que l’on appelle l’« effet pirouette », en référence à une patineuse artistique qui renforce considérablement sa rotation pendant la pirouette en écartant d’abord complètement ses bras pendant l’élan, puis en les ramenant au plus près du corps. Les physiciens expliquent cet effet par la conservation du moment cinétique. Selon le même principe, la vorticité d'un tourbillon augmente lorsque l'air en rotation converge vers l'axe de rotation.

Le fait qu’une tornade se développe ou non dépend de la force avec laquelle le courant froid descendant en rotation au niveau du sol converge vers la zone de courant ascendant. La convergence est forte lorsque l’air convergent est accéléré vers le haut par un courant ascendant vigoureux. Il en résulte une zone de basse pression atmosphérique en bas, qui aspire plus d'air, créant ainsi une convergence supplémentaire. Pour qu’une telle situation se produise, de nombreux facteurs doivent être bien coordonnés : le courant descendant ne doit pas être trop froid, sinon il résiste trop à l’ascension. Le courant ascendant doit être exceptionnellement puissant pour entraîner l’air convergent et le courant descendant doit avoir une vorticité verticale suffisante avant même de converger.

La rotation rapide de l’air ascendant s’accompagne également d’un puissant effet centrifuge. Il fait que l’air est repoussé de l’axe de rotation, c’est-à-dire que la pression atmosphérique dans la zone de l’axe diminue, ce qui a pour effet d’aspirer plus fortement l’air dans cette direction.

Un tourbillon en forme d’entonnoir se forme, dans lequel l’air ascendant en rotation rapide provoque une aspiration forte et dynamique qui entraîne la convergence de l’air déjà en rotation du courant descendant, augmentant ainsi considérablement la vorticité.

Tornade au Luxembourg

Le vendredi 9 août 2019, vers 17h40, une tornade s’est abattue sur les villes de Rodange, Lamadelaine, Pétange et Bascharage dans le sud-ouest du Luxembourg. Au total, 19 personnes ont été blessées et des maisons et des infrastructures ont été ravagées. Le vent a soufflé à des vitesses comprises entre 180 et 250 km/h. La distance parcourue par la tornade était d’au moins 14 km.

Cette cellule orageuse a commencé à s’intensifier vers 17 h et une supercellule était visible sur les images radar. Ensuite, l’orage s’est déplacé vers la région des trois frontières (Athus-Longwy-Rodange) avec une haute fréquence de foudre. Environ 20 minutes plus tard, elle a atteint la frontière franco-belge et les mesures radar ont fait état d’une supercellule puissante dans la basse atmosphère. La formation de la tornade sous la supercellule a vraisemblablement commencé peu après à proximité de la ville française de Longwy et le tourbillon a ensuite frappé les localités de Pétange et Bascharage à son intensité maximale entre 17h30 et 17h50. La tornade s'est ensuite progressivement affaiblie et dissipée.

Il existe également une publication scientifique sur cette tornade. L'auteur principal est Luca Mathias de Meteolux.

Source: Meteolux

Plus l’altitude est élevée, plus la température de l’air et la pression atmosphériques diminuent, avec des variations d'un endroit à l'autre et au fil du temps. Les valeurs relatives à la baisse de température et de pression en fonction de l’altitude, moyennées sur une longue période et sur l’ensemble de la Terre, représentent l’atmosphère « idéale » moyenne, c’est-à-dire l’atmosphère standard. La température de l’air baisse d’un peu moins de 7 °C par kilomètre à une altitude comprise entre 0 et 11 km, la pression atmosphérique baisse le plus dans la zone inférieure, puis de plus en plus lentement vers le haut, et est comprise entre 1 015 hPa (niveau de la mer) et 220 hPa (11 km).

Imaginez une bulle d’air de plusieurs mètres d’épaisseur enveloppée dans une peau invisible. La peau sert uniquement à séparer l’air intérieur de l’air environnant extérieur. L'air à l'intérieur de la bulle a un certain volume et une masse invariable, et il a la même température et la même pression partout. Dans leur réflexion, les météorologues utilisent ces bulles d’air comme des modèles mentaux pour les déplacer dans l’atmosphère, vers le haut ou vers le bas, et ainsi comprendre leur comportement dans l’air environnant réel.

Imaginez une parcelle d’air (Encadré 2) qui s’élève du sol. C’est ce qui se produit, par exemple, lorsque le vent souffle sur une montagne. Comme la pression atmosphérique diminue avec l’altitude, la parcelle d’air se dilate, car la pression à l’intérieur doit être égale à celle de l’air environnant. Cette expansion s’accompagne d’une diminution de la température. Les gaz qui se dilatent se refroidissent et ceux qui sont comprimés se réchauffent ! Tant que l’air reste sec, c’est-à-dire que la vapeur d’eau contenue dans l’air ne se condense pas, la température d’une telle parcelle d’air diminue d’un peu moins de 10 °C par kilomètre. Toutefois, si l’air est tellement humide (saturé) que la vapeur d'eau se condense pendant le refroidissement, la parcelle d'air se refroidit moins vite (voir également l’Encadré 4). Lors de la condensation, une « chaleur latente de condensation » est libérée.

Dans une atmosphère stable, la température ne diminue pas trop avec l'altitude. Si une parcelle d’air est déplacée vers le haut, elle refroidit davantage que l’air environnant. Elle est donc plus froide et plus lourde qu’un volume égal d’air environnant. Le poids de la parcelle d’air est supérieur à la force ascensionnelle, et la parcelle d’air descend de nouveau pour regagner sa position initiale.

Lorsque la parcelle d'air est déplacée vers le bas dans l'atmosphère stable, elle se réchauffe davantage que l'air environnant. Elle est donc plus légère et la force ascensionnelle est supérieure au poids. Elle monte à nouveau pour regagner sa position initiale.

Dans l’atmosphère instable ou labile, le contraire se produit : l’atmosphère se refroidit davantage en montant qu'une parcelle d'air qui est déplacée vers le haut. Celle-ci est donc plus chaude que l’air environnant et donc plus légère. La force ascensionnelle est supérieure au poids : la parcelle d’air est déplacée vers le haut, encore au-delà de la position initiale.

 

Outre l’oxygène, l’azote et d’autres gaz, l’air d’une parcelle d'air contient également de la vapeur d'eau invisible (= eau gazeuse). La vapeur d’eau est répartie dans l’air, on dit aussi qu’elle est « dissoute ». L’air chaud peut dissoudre plus de vapeur d’eau que l’air froid. Par exemple, 1 m3 d’air peut dissoudre 9,4 g de vapeur d’eau à 10 °C, 17 g à 20 °C, 30 g à 30 °C. Si l’air contient effectivement cette quantité maximale de vapeur d’eau, on parle d’« air saturé » (en vapeur d’eau).

Pour un air humide non saturé, il est intéressant de savoir quelle quantité de vapeur d'eau l'air contient par rapport à la valeur maximale à saturation. L’unité de mesure est l’humidité relative (exprimée en %). Exemple : Si 1 m3 d’air chaud à 30 °C contient 15 g de vapeur d’eau, mais qu'il pourrait en contenir au maximum 30 g, l’humidité relative est de 50 %.

Si cette parcelle d’air monte au moyen d’un flux ascendant, elle se refroidit. À une altitude de 1 400 m, sa température est encore de 17 °C. La parcelle d’air contient toujours les 15 g de vapeur d'eau initiaux, mais cela correspond maintenant exactement à la quantité maximale de vapeur d'eau que l'air peut encore contenir. Si la parcelle d’air continue à s’élever, elle se refroidit davantage et ne peut contenir plus que moins de 15 g de vapeur d'eau. La vapeur d’eau doit donc s’évacuer de l’air : la vapeur d’eau gazeuse se condense et se transforme en de minuscules gouttelettes d'eau. Pendant ce processus, une grande quantité de chaleur est libérée dans l’air. C’est ce que l’on appelle la « chaleur latente de condensation ». Il s’agit aussi de l’énergie que les gouttelettes d’eau absorbent en s'évaporant. En extrayant l’énergie de l’environnement, elles le refroidissent. On parle donc de refroidissement par évaporation.

La chaleur de condensation libérée lors de la condensation de la vapeur d’eau joue un très grand rôle dans la formation des nuages orageux et des tornades. En effet, il s’agit précisément de l’énergie qui est libérée dans les nuages orageux. Dans notre exemple, le niveau de condensation se situe à 1 400 m d'altitude. Cela correspond à la base du nuage. Tant que l’air continue à s’élever, la vapeur d’eau se condense. Par conséquent, des gouttelettes d’eau sont éliminées, le nuage orageux s’amplifie et la chaleur de condensation est libérée. Ensuite, il peut atteindre jusqu’à 15 km d'altitude.

Selon Archimède, la force ascensionnelle d’une parcelle d’air est aussi grande que le poids d’un volume égal d’air environnant (= l’air environnant déplacé par la parcelle d’air).

Un ballon rempli d’hélium a un poids inférieur à celui d’un volume égal d’air environnant. Le poids est donc inférieur à la force ascensionnelle : le ballon monte dès qu’on le lâche. Il en va de même avec une parcelle d’air dont la température est supérieure à celle de l’air environnant. En effet, en se réchauffant, l’air se dilate. Ainsi, un certain volume d'air plus chaud contient une masse d'air plus petite qu'un volume égal d'air plus froid. Il est donc plus léger que le même volume d'air plus froid. Dans la vie de tous les jours, on dit (de manière quelque peu imprécise) que l’air chaud est plus léger que l’air froid !

D’ailleurs, une parcelle d’air ayant la même température que celle de l’air environnant flotte en équilibre dans l’atmosphère, car la force ascensionnelle et le poids sont exactement identiques.

La vorticité ou l’écoulement tourbillonnaire indique la force avec laquelle le champ de vitesse de l'air tourne autour d'un axe. Si l’axe est horizontal et parallèle au sol, on parle de vorticité horizontale. Si l’axe de rotation est vertical et perpendiculaire au sol, on parle de vorticité verticale. On distingue les vorticités verticales sur différentes zones de même pression atmosphérique, par exemple sur la zone de pression de 500 hPa, la zone de pression de 700 hPa, etc.

Si la direction et/ou la vitesse du vent changent d'un endroit à l'autre dans un espace, nous avons affaire à un cisaillement du vent dans cette zone. Il est toujours à l’origine d’un tourbillonnement de l’air et crée de la vorticité. Imaginez une éolienne que vous placez mentalement dans un courant d'air. Si le vent souffle plus fort en haut qu’en bas, la roue tourne. Un tel courant crée donc de la vorticité. Il en va de même lorsque le vent souffle de directions différentes en haut et en bas. La vorticité causée par le cisaillement vertical du vent est horizontale.

Auteur: André Mousset (Physiker)
Édition: Michèle Weber, Joseph Rodesch (FNR)
Un Grand Merci également à Luca Mathias de Meteolux, qui nous a aidé beaucoup lors de la préparation de cet article!

 

Infobox

Sources

https://www.daserste.de/information/reportage-dokumentation/unser-wetter/sendung/tornado-entstehen-100.html

https://www.planet-wissen.de/natur/naturgewalten/tornados/index.html

https://www.familie.de/artikel/wie-entsteht-ein-tornado-starke-wirbelnde-stuerme--mr72rqxprf

https://www.daserste.de/information/nachrichten-wetter/wetter/videos/extra-wie-entsteht-ein-tornado-100.html

http://www.wetteran.de/gewitter/tornados

https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=102936&lv3=103186

http://www.theweatherprediction.com/habyhints2/631/

https://www.weather.gov/source/zhu/ZHU_Training_Page/Miscellaneous/vorticity/vorticity.html

https://scied.ucar.edu/learning-zone/storms/how-tornadoes-form

https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2514

https://sites.psu.edu/pmarkowski/how-tornadoes-form/

https://www.synoptische-meteorologie.de/meteorologische-grundlagen/baroklinit%C3%A4t/

https://wetterkanal.kachelmannwetter.com/was-ist-eine-superzelle/

https://www.meteolux.lu/de/aktuelles/ruckblick-auf-den-tornado-vom-9-august-2019/?lang=de

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