Tornade - Définition et Explications

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Le phénomène est aussi vieux que le monde, mais le mot « tornade » n’entre en français qu’en 1842 depuis l’anglais. Il provient en fait de l’espagnol où il apparaît en 1663 (selon le Petit Robert). Comme ce phénomène météorologique est peu connu en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...) mais est prévalent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit...) du Texas et de la Floride, il y a fort à parier que l’expression vient des colonies américaines de l’Espagne.

John Winthrop père

Cependant, même lorsque le mot n’est pas encore inventé, des descriptions de ce phénomène existe. Un fidèle adepte de la prise de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire,...) météorologiques, le gouverneur britannique John Winthrop (père) , écrit dans ses notes de juillet 1643, qu’un soudain coup de vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel...) dans le nord-est (Le nord-est est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux nord et est. Le nord-est est opposé au sud-ouest.) du Massachusetts et sur la côte du New Hampshire déracina des arbres, remplit l’air de poussières, souleva un édifice public de Newbury et tua un amérindien. Même si cette description pourrait être reliée à une rafale descendante ou à une ligne de grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement au passage d'une ligne...), elle pourrait bien être le premier signalement dans l’histoire d’une tornade (Une tornade (de l'espagnol tornado, dérivé du verbe tornar, tourner) est un vortex (tourbillon) de vents extrêmement violents, prenant naissance à la base d'un nuage d'orage (cumulonimbus) lorsque les...).

Plusieurs autres rapports de vents tourbillonnant causant des dommages sont inscrits dans les annales de la Nouvelle-Angleterre jusqu’à ce que le mot « tornade » soit pour la première fois utilisé par le révérend Joseph Emerson à Groton, Massachusetts en 1748 : une terrible tornade avec du tonnerre (Le tonnerre est un bruit qui est produit par l'expansion brutale de la fine colonne d'air qui a été chauffé très rapidement par la foudre...) assourdissant.

La population se perd en conjecture (En mathématiques, une conjecture est une assertion qui a été proposée comme vraie, mais que personne n'a encore pu démontrer ou réfuter.) à propos de ces « terribles tourbillons ». En juillet 1759, à la suite d’une terrible tornade passant à Leicester, Massachusetts, un descendant du gouverneur Winthrop (John Winthrop (astronome)) écrit :

« Il me semble difficile de trouver une cause adéquate pour ce phénomène, de démontrer comment un petit volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d’air peut être mis en rotation si rapide. Je n’oserais pas m’aventurer à émettre une hypothèse. »

Le 14 août 1773, le professeur Samuel Williams est le premier en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de...) à donner non seulement une description mais des données objectives de vents. Il écrit qu’une trombe marine (Une trombe marine est une colonne d'air mélangé d'eau en rotation, formant un entonnoir nuageux, sous un nuage convectif au-dessus d'une étendue d'eau. Ces phénomènes...) s’est formée sur le fleuve (En hydrographie francophone, un fleuve est un cours d'eau qui se jette dans la mer ou dans l'océan – ou, exceptionnellement, dans un désert, comme pour l'Okavango. Il se distingue d'une...) côtier Merrimack, au sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de Salisbury (Massachusetts), et se transforma en tornade en touchant terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...). Juste avant son apparition, de violentes rafales de vents venant du sud-ouest (Le sud-ouest est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux sud et ouest. Le sud-ouest est opposé au nord-est.) soufflèrent sur la région durant 4 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte...) avant un changement rapide à l’ouest-nord-ouest. Deux minutes plus tard, le vent devenait calme et le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) devint très sombre.

Les recherches en météorologie (La météorologie a pour objet l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les précipitations ou le vent dans le but de comprendre comment ils se forment et évoluent en fonction des...) devinrent plus systématiques à partir du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une...) ainsi que les travaux sur l’explication des tornades. Dans les années 1880, le Corps des ingénieurs de l’armée américaine, qui était en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) du service météorologique naissant de ce pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la...), organisa une équipe de 2 000 volontaires pour documenter tous les cas de tornades sur le centre et l’est des États-Unis. On en tira les patrons météorologiques de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) favorables à la génération des orages tornadiques et le Corps essaya de faire les premières prédictions. Ce ne fut pas très concluant et le National Weather Service, qui succéda au Corps, décida de ne pas mentionner jusqu’en 1938 la possibilité de ce phénomène dans ses alertes météo d’orages violents.

Avec la naissance de l’aviation, la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) des conditions nécessaires à la formation de tornade fut remise à l’ordre du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent...) dans les années 1920 et 1930. Le développement du radiosondage commença à donner plus d’informations sur la structure verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) de l’atmosphère ce qui permit de reconnaître les facteurs thermodynamiques et les déclencheurs synoptiques d’altitude nécessaires au déclenchement des nuages convectifs.

Robert C. Miller

Toutes les informations ainsi réunies ont été colligées et interprétées par des chercheurs comme A. K. Showalter et J. R. Fulks aux États-Unis. Utilisant ces travaux et leurs propres observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...), les officiers météo E. J. Fawbush et R. C. Miller, de la base aérienne (Une base aérienne est une base militaire d'une armée de l'air. Il s'agit généralement d'un aéroport militaire disposant de pistes, d'un tarmac, d'un centre de contrôle du trafic aérien, des...) Tinker (Tinker Air Force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) Base) de la US Air Force à Oklahoma City, ont pu prédire pour la première fois avec succès l’occurrence d’une tornade sur la base le 25 mars 1948 en soirée. Ce succès fit boule de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont...), Fawbush et Miller reçurent rapidement le mandat de prédire la possibilité de tornades dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le centre des États-Unis pour la US Air Force. Ils furent mis en charge trois ans plus tard d’un centre de prévision du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) violent, le Severe Weather Warning Center (SWWC), pour toutes les bases du continent (Le mot continent vient du latin continere pour « tenir ensemble », ou continens terra, les « terres continues ». Au sens propre, ce terme...).

Ces résultats se répandant dans la population, le gouvernement créa en mars 1952 un organisme expérimental inter-armes et civil (le Weather Bureau-Army-Navy ou WBAN) pour la prévision des orages violents (La prévision des orages violents est la partie de la météorologie d’exploitation qui tente de prévoir le développement, l'intensité, le type de danger...) à la population en général. Le 17, les prévisionnistes de ce centre émirent leur premier bulletin de prévision mentionnant la possibilité de tornade et le 22 mai, le WABN devint officiel sous le nom de Weather Bureau Severe Weather Unit (SWU). Ce centre changera quelques fois de nom pour être maintenant connu comme le Storm Prediction Center.

Durant les années 1950 et 1960, l’analyse des éléments était totalement faite à la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe destiné à saisir...) et les nouveaux éléments venant des recherches sur les tornades étaient intégrés de la même façon. Durant les années 1970, les ordinateurs ont commencé à faire leur apparition et des campagnes comme le Tornado Intercept Project ont permis de recueillir des informations in situ sur les tornades grâce à la participation des chasseurs de tornades et de scientifiques.

L'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) 1978 marque un progrès important dans la compréhension des mouvements de rotations dans les orages à tornades : Robert Wilhelmson, de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) 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 (Graphie) d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) tridimensionnel représentant l'espace, leur programme calculait les variations de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...), de vitesse (On distingue :) du vent et de changement d'état de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) entre ses diverses formes (vapeur, gouttelettes d'un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière...) et gouttes de pluie).

Dans ce monde (Le mot monde peut désigner :) numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et...), 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 (L'heure est une unité de mesure  :) d'existence de l'orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage...). C'est plutôt la rotation du vent selon un axe vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) qui détermine le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) d'un tourbillon.

Keith Browning avait proposé en 1963 que la variation du vent avec l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...) dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) habituel des supercellules engendrait une rotation horizontale, comme démontré antérieurement, et que le courant ascendant changeait l'axe de rotation vers le haut. Dans les années 1980, les simulations confirmaient ce point en montrant comment la colonne ascendante tournait graduellement d'axe pour être verticale à mi-hauteur du nuage, mais cela n'expliquait pas comment elle pouvait se mettre à tourbillonner verticalement 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'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide....): quand cette évaporation n'a pas lieu, aucune rotation n'apparaît près du sol. Les simulations ont montré, à la surprise générale, que la rotation de basse altitude est amorcée au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) du mésocyclone, dans la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) d'air légèrement refroidie par la pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un...). 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 (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) 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 du courant ascendant soulève le flanc gauche du courant descendant, alors que l'air froid de droite le bascule (Une bascule ou un basculeur est un circuit intégré logique doté d'une sortie et d'une ou plusieurs entrées. La sortie peut être au niveau logique 0 ou 1. Les changements...) vers le sol. Ainsi commence un mouvement hélicoïdal de l'air froid autour de son axe de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la...) horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la...) (par cisaillement latéral des vents). Comme cet air froid descend en même temps, son axe de rotation est dévié vers le bas comme le courant ascendant l'est vers le haut, ce qui donne une rotation anticyclonique. En 1993, la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en...) fut faite que la rotation de ce courant d'air descendant s'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...) avant qu'il n'atteigne la surface. Une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'air cyclonique peut donc 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 maintenant mieux comment naissent les vents tournants dans le mésocyclone, à moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) altitude et près du sol mais il nous restait à montrer pourquoi les tornades, qui ont un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...) beaucoup plus petit, 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) en rotation, un équilibre s'instaure entre la force centrifuge et la force de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) due à la dépression créée au centre. Au fond de la tasse, le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) 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 (Le terme de convergence est utilisé dans de nombreux domaines :) et de «l'effet patineuse», la rotation du liquide s'accélère : un tourbillon apparaît le long de l'axe de la tasse. Stephen Lewellen, 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 (La longévité d'un être vivant est la durée de vie pour laquelle il est biologiquement programmé, dans des conditions...) des tourbillons. Une tornade crée un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) partiel (Le mot partiel peut être employé comme :) 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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) 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 (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) 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.

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