Tornade - Définition

Caractéristiques observationnelles d'une tornade

Séquence montrant la naissance d'une tornade: en haut nuage en rotation, au milieu formation de l'entonnoir et en bas la tornade touchant le sol près de Dimmitt, Texas. Il s'agit une des tornades violentes les mieux documentées par le projet VORTEX.

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. Dans les cas les plus violents, le courant ascendant et le tourbillon à tornades qui l'accompagne atteignent un état stationnaire, et l'orage devient alors une « supercellule ». Dans certaines supercellules, l'intensité du mésocyclone 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 tourbillon 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, fit 1980 blessés et 11 000 sans-abris. Elle parcourut 352 kilomètres, du sud-est du Missouri au sud-ouest de l'Indiana, en passant par l'Illinois, à une vitesse oscillant entre 85 et 100 km/h.

Entonnoirs uniques et multiples

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 Tetsuya Théodore Fujita de l'Université de Chicago (F0 et F1 avec la vitesse maximale des vents est comprise entre 65 et 180 kilomètres à l'heure) sont associées à un entonnoir nuageux 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 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.

Électromagnetisme, foudre et autres effets

Une tornade et de la foudre dans les Keys de Floride

Les tornades émettent des ondes électromagnétiques dans le spectre radio et un champ électrique mais le mécanisme est encore peu connu. On observe également une corrélation entre les tendances de production de foudre par l’orage. Il n'y a pas plus d’éclairs dans une orage tornadique, parfois il n’y en a aucun, mais les chercheurs ont noté que les éclairs nuage vers sol diminuent souvent en nombre quand la tornade atteint le sol et augmente quand le tuba le quitte. Ils ont également noté un nombre anormalement grand de coups de foudre positif en augmentation. Ces effets électromagnétiques et de foudre n'ont rien à voir avec les causes de la formation des tornades mais seraient plutôt reliés à l'environnement orageux et ses variations lorsque la tornade se produit.

Des couleurs et luminosités particulières ont souvent été mentionnés par les témoins mais sont probablement dues au passage de passage de sources de lumière extérieures à travers l'orage : éclairage de rue, explosion d'un transformateur électrique, etc.; car aucun source interne n'a jamais été identifiée.

Finalement, les tornades sont associées avec des changements de température, d’humidité et de pression atmosphérique. Par exemple, lors d’une tornade à Manchester au Dakota du sud le 24 juin 2003, une sonde placée dans la trajectoire a noté une diminution de pression de 100 hPa. La pression est descendue d’abord très graduellement à l'approche du vortex mais soudainement à son passage, alors que la pression minimale a atteint 850 hPa, puis aussi soudainement elle est remontée. La baisse de température et la hausse de l’humidité ont été tout aussi importantes et soudaines.

Analyse radar des tornades

Images des échos radar montrant une coupe horizontale d'un orage tornadique. La zone en forme de crochet est celle où le vortex se situe (Hook echo en anglais), juste à gauche du secteur où il n'y a pas de précipitations (site du courant ascendant). (Source NOAA)

L'algorithme automatique a repéré un mésocyclone dans ces données Doppler : carré violet montrant un doublet de rotation (vert-jaune) de moins de 10 km de rayon (Source: Environnement Canada).

En 1953, Donald Staggs, un ingénieur en électricité travaillant pour le Illinois State Water Survey, est le premier à noter sur les sorties de réflectivité un écho en crochet typique associé à un orage tornadique. Avec un plus grand nombre d'angles sondés, afin d'obtenir une représentation à trois dimensions de l'orage, on a remarqué qu'à l'endroit de faire intensité à l'avant du crochet, on a une voûte d'échos faibles qui s'étend en altitude. Cette dernière correspond à l'emplacement du fort courant ascendant dans l'orage. Jusqu'à l'apparition des radars météorologiques Doppler, ces deux indices étaient les seuls que les météorologues pouvaient utiliser pour repérer les cellules orageuses pouvant produire une tornade.

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 ou plus. Cette circulation apparaît à environ 5 000 mètres d'altitude ; puis elle engendre une rotation à plus basse altitude, qui précède toute tornade intense. C'est ce qu'on appelle un mésocyclone.

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.

Notons qu'un radar météorologique opérationnel ne verra jamais la tornade proprement dite, à moins qu'elle ne soit juste à côté du dôme, car sa résolution est de l'ordre du kilomètre alors qu'une tornade a un diamètre de l'ordre de un à 100 m en général. On peut cependant s'appuyer sur cette signature mésocyclonique quand le taux de rotation est très fort (différence de plus de 70 nœuds entre les vitesses entrant vers le radar et sortantes dans la zone de rotation) pour avertir les populations menacées et leur conseiller de se mettre en lieu sûr (cave ou pièce protégée). On ne la décèle que sur des distances inférieures à 100 kilomètres (voir radar météorologique). Au-delà de cette distance, la détection de mésocyclones plus faibles peut être utilisée pour déclencher une alerte météo mais leur détection est hasardeuse car le faisceau radar balaie seulement des niveaux plus élevés de l'atmosphère. En 1991, à l'aide d'un radar Doppler portable, on a décelé des vents de tornade qui 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.