Comment se forme une tornade ?

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.

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!