Tornade - Définition

Description du phénomène

Les tornades ont depuis longtemps défrayé la chronique et certaines ont été retenues par l'Histoire, même avant d'être appelées de ce nom. Par exemple, Grégoire de Tours décrit un événement survenu dans la vallée de la Loire au VI^e siècle qui semble correspondre au phénomène : « le vent du midi souffla sur le pays avec tant de violence qu’il renversa les forêts, abattit les maisons, arracha les haies, et fit périr des hommes même enlevés dans un tourbillon qui parcourut en largeur un espace de près de sept arpents. On n’a pu savoir ni estimer jusqu’où s’était prolongé son passage ».

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 à 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 produire. Il arrive même parfois que de faibles tornades se développent dans le courant ascendant d'un cumulus bourgeonnant. Les cyclones tropicaux, où l'on retrouve des orages, sont également accompagnés de tornades lorsqu'ils entrent sur terre.

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.

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 (hémisphère nord), mais peut changer de direction de façon soudaine.

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 1 000 mètres). Cette différence de pression serait suffisante pour créer une implosion en passant directement sur une habitation mais les vents qui la précède causent en fait les dommages comme mentionné dans la

Sens de rotation

Le mouvement de l'air dans un système en rotation est une balance entre diverses forces. Selon le second principe de Newton exprimée dans les équations primitives atmosphériques, on additionne ces forces pour connaître la force totale qui s'exerce sur le fluide:

La partie de gauche de l'équation est l'accélération que subit la parcelle d'air. À droite on retrouve la force de Coriolis, la variation de pression dans le système, la gravité, la force centripète et la friction. Dans un système météorologique à grande échelle, comme une dépression, la différence de pression commence le mouvement de l'air des hautes vers les basses pressions. Ce mouvement sera relativement lent et la force de Coriolis pourra dévier l'air vers la direction des Pôles pour donner le vent dans l'atmosphère libre. La friction agit près du sol pour dévier un peu plus l'air vers le centre de la basse pression et donner le vent réel. La force centrifuge, , est négligeable car le rayon (R) d'un tel système est très grand et la gravité s'exerce vers le bas. Tout ceci donne un sens de rotation bien spécifique selon l'hémisphère, par exemple le sens anti-horaire dans l'hémisphère nord.

Au sein même de la tornade, la balance des forces s'effectue cependant entre la pression atmosphérique et la force centrifuge. En effet, le diamètre et la durée de formation d'une tornade sont de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux nécessaires pour que la force de Coriolis ait le temps de s'exercer. Or la direction de la force centrifuge dépend de la direction initiale de déplacement de l'air et donc 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 (synoptique) qui eux sont soumis à cette force, comme expliqué antérieurement. Toutefois, une minorité significative de tornades tournent en sens contraire. Cela est en partie dû 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.

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 relative 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 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.

Distribution mondiale

Les tornades se produisent dans de nombreuses régions du monde. Il existe une corrélation entre la localisation des zones agricoles et l'occurrence de tornades. Elles sont également plus nombreuses dans certaines zones au climat subtropical humide. Étant donné que l'humidité est un facteur important de développement des orages violents qui causent les tornades, cette relation se comprend aisément. Cependant, elles ne se produisent que là où les conditions de cisaillement des vents sont favorables ce qui veut dire que les plus puissantes ne sont pas nécessairement dans les milieux les plus humides. Les zones rurales comme les villes peuvent subir ce phénomène. Les États-Unis d'Amérique subissent le plus grand nombre de tornades et elles ont tendance à y avoir une très forte intensité. De 800 à 1 200 tornades sont observées chaque année dans ce pays et une vingtaine atteignent le degré F4 ou F5.

La plus grande densité absolue de tornades au monde se trouve en Floride, bien que celles-ci soient généralement de faible à moyenne intensité. Cependant, la zone la plus active est la région du bassin du fleuve Mississippi et des Grandes Plaines. Les tornades y sont en général très puissantes. Les États du Texas, de l'Oklahoma, du Kansas et du Nebraska ont d'ailleurs acquis le surnom de « Tornado Alley » avec un tiers des tornades aux États-Unis.

Cette zone est particulièrement exposée parce que l'air chaud et humide du Golfe du Mexique, près du sol, y rencontre de l'air sec et frais en altitude venant des montagnes Rocheuses et du Canada. Le tout donne naissance (voir , ci-dessous) à des orages violents comprenant une circulation mésocyclonique. Cette zone s'étend en fait jusqu'aux Prairies canadiennes.

D'autres régions du monde rapportent fréquemment des tornades, celles-ci comprennent : le sud de l'Afrique ; certaines portions de l'Argentine, du Paraguay et du sud du Brésil ; la grande plaine du nord de l'Europe, notamment en Allemagne et en Pologne ; l'Austalie et la Nouvelle-Zélande et le delta du Gange. Sur l'image de droite, le lecteur peut voir cette distribution ainsi que sa relation avec les zones agricoles et donc avec la disponibilité d'humidité.

C'est aux Pays-Bas que l'on retrouve la plus grande densité nationale de tornades signalées avec 0,00048 par kilomètre carré (20 tornades par année). Le Royaume-Uni vient ensuite avec une densité de 0,00013 (33 tornades annuellement). Ces tornades sont généralement de faible intensité, le plus souvent des F1. Par densité nationale, suivent dans l'ordre :

• Le Bangladesh
• L'Inde
• L'Argentine
• L'Italie
• L'Australie
• La Nouvelle-Zélande
• L'Afrique du Sud
• L'Allemagne
• L'Estonie
• L'Uruguay

Dans les climats favorables mentionnés antérieurement, on retrouve certaines grandes villes qui rapportent un bon nombre de tornades dans leur région métropolitaine. On peut citer surtout Miami, Oklahoma City, Dallas et Chicago aux États-Unis ainsi que Dhâkâ en Asie. Dans une moindre mesure, il y a Barcelone, Londres et l'aire urbaine d'Amsterdam en Europe. Les villes ne sont cependant pas plus touchées que les zones rurales mais certains micro-climats et effets locaux peuvent favoriser les tornades.

Le nombre et la densité rapportés des tornades sont cependant biaisés par trois facteurs :

• La densité de population dans une zone très propice à ce phénomène qui rend non seulement la détection plus facile mais également la poursuite des entonnoirs. Par exemple, il y existe de nombreux chasseurs de tornades aux États-Unis mais très peu ailleurs. Autre exemple, 80 à 100 tornades par an sont recensées au Canada mais de larges portions du pays sont peu peuplées et le nombre est probablement plus grand ;
• La prévalence des orages violents par rapport à d'autres phénomènes météorologiques dans une région. Les tempêtes de neige, de vents ou les cyclones tropicaux ont beaucoup plus d'impact dans la majeure partie du monde et les tornades peuvent être sous-signalées ou confondues avec une tempête de vent ;
• Les communications jouent également un très grand rôle dans le rapport des événements violents et l'Afrique et l'Asie ont par une étrange coïncidence très peu de signalements. Par exemple, le Bangladesh subit des tornades aussi importantes et en aussi grande densité que les États-Unis. De plus, elles provoquent le plus grand nombre de décès mondial chaque année (179 contre 150 aux États-Unis), mais elles sont beaucoup moins médiatisées.

Climatologie

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 avec le réchauffement et l'apport d'humidité (hémisphère nord). 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 une étude de Jean Dessens du laboratoire d'aérologie de l'Université Paul Sabatier et de John T. Snow du département des sciences de la Terre et de l'atmosphère de l'Université Purdue (États-Unis), 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 à août entre 16h et 19h TU. La région à plus fort risque se situe dans le quart nord-ouest de la France (comme ce cas du 3 août 2008 dans la région de Maubeuge qui fit 3 morts et 9 blessés), 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. Par exemple, 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

Contrairement à ce qu'on entend régulièrement dans les médias, une « mini-tornade » est une expression à proscrire car il s'agit d'un terme fourre-tout qui est donné pour tout dommage par le vent et très localisé. Il peut provenir autant de rafales descendantes sous orages que d'une tornade de faible intensité. L'observation de l'entonnoir nuageux est naturellement un indice important mais elle n'est pas toujours vue par les témoins car il est souvent perdu dans la pluie forte.

Il faut donc reconnaître les signes typiques laissés par le passage d'une tornade soit un corridor de dégâts où les débris montrent des torsions et sont répartis de façon plus ou moins aléatoire dans et autour du corridor, 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 dus 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 (dégâts légers) à F5 (dégâts très importants), le tout tenant compte du type de construction et de sa solidité. Les tornades de force F5 s’accompagnent de vents de plus de 420 kilomètres à l’heure et sont capables d'arracher une maison en brique 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 du XX^e siècle. Les morts causées par les tornades sont en général dus 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.

Catégorie	Vents estimés (km/h)	Dommages	Fréquence
	Échelle Originale / Améliorée
F0	60 - 120 / 105 – 137	Dégâts légers comme bout de toiture emportée	82 %
F1	120 - 180 / 138 – ;178	Dégâts modérés comme toit emporté	11%
F2	180 - 250 / 179 – 218	Dégâts importants comme maisons mobiles renversées ou détruites	4 %
F3	250 - 330 / 219 – 266	Dégâts considérables comme maisons plus solides détruites	1,8 %
F4	330 - 420 / 267 – 322	Dégâts dévastateurs auxquelles les meilleurs bâtiments ne résistent pas	0,9 %
F5	420 - 510 / >322	Dévastation totale	0,3 %
F6 à F12	510 - mur du son /  ???	Dégâts incommensurables	Jamais rapporté

Extrêmes

La plus forte tornade rapportée dans l'histoire s'est produite lors du Tri-State Tornado.Elle est passée sur une partie du Missouri, de l'Illinois et de l'Indiana le 8 mars 1925. Tout probablement une F5, même si l'échelle de Fujita n'existait pas à l'époque, elle détient le record mondial de la plus longue trajectoire avec 325 km, de la plus longue vie avec 3,5 heures et de la plus grande vitesse de déplacement avec 117 km/h. Il s'agit également de la plus meurtrière aux États-Unis avec 695 morts et elle est encore la troisième plus coûteuses de ce pays (coût normalisé pour l'inflation).

La tornade la plus meurtrière s'est produite au Bangladesh le 26 avril 1989 dans la région de Daultipur-Salturia. Elle tua environ 1 300 personnes. La plus importante éruption de tornades s'est produite les 3 et 4 avril 1974. On a rapporté 148 tornades individuelles durant cet événement appelé le Super Outbreak. Elles ont affectées une large portion du Midwest américain et de l'extrême sud de l'Ontario au Canada sur une période de 18 heures. Un nombre record de celles-ci ont été extrêmement violentes dont six F5 et vingt-quatre F4. On a dénombré à un moment donné seize tornades touchant le sol en même temps.

À 18:54, un radar météorologique Doppler mobile détecta des vents de 484 km/h +/- 32 km/h à une hauteur de 32 mètres au-dessus du sol dans la tornade F5 qui frappa Moore en banlieue de Oklahoma City durant les tornades de l'Oklahoma du 3 mai 1999. Il s'agit du record de vents mesurés dans une tornade. Cependant, les vents au sol ont pu être plus faibles à cause de la friction, mais aucun anémomètre ne se trouvait sur son passage pour le confirmer.

Les forts courants ascendants et les vents jusqu'à plus de 240 km/h dans la tornade peuvent soulever et projeter les débris à grande distance: une tornade à Great Bend, Kansas, le 15 novembre 1915, détient le record. Elle a provoqué une pluie de débris à 130 km de la ville. Un sac de farine a été retrouvé à 177 km de celle-ci et un chèque de la banque Great Bend fut découvert à 491 km de là.

Précautions à prendre en cas de tornades

Aux États-Unis, le Storm Prediction Center est en charge de faire la prévision du potentiel d'orages violents et il émet des veilles météorologiques pour prévenir les régions menacées à se tenir prêtes à réagir. Les bureaux locaux du National Weather Service vont, quant à eux, émettre des alertes météorologiques afin d'avertir les localités de l'arrivée d'orages tornadiques. Les autorités prennent alors les mesures nécessaires comme déclencher des sirènes dans les zones menacées, passer des messages d'alerte à la radio et à la télévision, ouvrir des refuges (voir alerte aux populations). Dans les régions comme le "Tornado Alley", une bonne partie de la population a fait construire des abris souterrains pour cette éventualité puisque les sous-sols sont peu fréquents dans cette région.

Toutes ces mesures ont grandement restreint le nombre de décès aux États-Unis. D'autres pays ont des systèmes plus ou moins développés et le nombre de pertes humaines peut donc varier selon les ressources disponibles. Ainsi le nombre de morts au Bangladesh, 179 contre 150 aux États-Unis, est en grande partie une conséquence de l'importante densité de la population, du type de construction plus précaire, du manque de connaissance du phénomène et d'un système d'alertes non développé.

Selon différents guides de protection, il faut prendre les précautions suivantes lorsqu'une tornade est annoncée ou repérée.

• Si l'on est chez soi :

Si l'on dispose d'un sous-sol, se rendre à cet endroit, et se protéger la tête et la figure. Sinon, se diriger vers la partie centrale et au rez-de-chaussée. Une penderie ou une salle de bain offrent en général un bon abri. Se protéger toujours la tête et la poitrine contre les objets qui peuvent se déplacer dans les airs.

• Si l'on se trouve dans un immeuble construit en hauteur :

Ne pas utiliser l'ascenseur. Se diriger vers le centre de l'immeuble, vers la cage d'escalier ou vers une salle de bain. Suivre les directives des services de sécurité de l'immeuble ou des autorités.

• Si l'on est dans un véhicule :

S'arrêter, sortir du véhicule et s'éloigner du couloir de la tornade en se déplaçant perpendiculairement à ce dernier. Se coucher dans une cavité ou un fossé, et se couvrir la tête et la poitrine. Ne jamais tenter de prendre une tornade de vitesse, ni d'aller dans le sens inverse au couloir. Une tornade peut repasser plusieurs fois au même endroit.

• Ne pas rester dans une maison mobile... sortir et trouver un abri ailleurs (considérer un véhicule comme une maison mobile).
• Ne pas essayer de contourner la tornade à bord de son véhicule ou à pied.
• Ne pas ouvrir les fenêtres. Ne pas rester dans une pièce vaste et ouverte ni dans un endroit où il y a beaucoup de fenêtres.