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Comment se forment les tornades ?
Pour répondre à cette question, j'ai décidé de faire un petit tutoriel sur la formation des tornades pour chaque système orageux. A savoir, les orages monocellulaires, les orages multicellulaires et les orages supercellulaires.
Commençons par le plus simple : les orages monocellulaires ainsi que les nuages convectifs sans activité électrique (stade avant l'orage monocellulaire).
Les tornades et les tubas qui se forment sous un orage monocellulaire ou sous un nuage convectif (sans activité électrique) prennent tous naissance sous un misocyclone.
Mais qu'est-ce qu'un misocyclone ?
Un misocyclone est le cousin du mésocyclone (rotation dans une supercellule). Il se forme différemment du mésocyclone car il demande beaucoup moins de mécanisme et beaucoup moins de cisaillement. La différence entre le misocyclone et le mésocyclone se fait également sur la dimension de ces derniers. Un mésocyclone possède un diamètre supérieur ou égal à 4 km et un misocyclone possède un diamètre inférieur à 4 km. Mais, certains cas de mésocyclone ou de misocyclone montrent que cette règle n'est pas tout à fait parfaite. C'est pour cela qu'il faut se maintenir sur la première différence : c'est à dire, leur formation
Comment naît cette rotation misocyclonique ?
Cette rotation prend naissance au niveau d'une ligne de convergence (sur le plan horizontal) dans les basses couches. Quand deux flux de direction différente se rencontrent, une rotation à axe vertical se forme au niveau du point où ils se rencontrent.
Mais cette rotation est éphémère et très lente, elle ne peut pas se développer en tornade. Pour que cette rotation prenne de l'ampleur, il faut un élément très important pour son extension : le courant ascendant d'un nuage convectif ou d'un orage monocellulaire. Un nuage convectif ou un orage monocellulaire possèdent tous un courant ascendant, permettant à ces derniers de se charger en humidité et en chaleur. Quand ce nuage convectif va s'aventurer au-dessus de cette rotation, le courant ascendant va étendre cette dernière jusqu'à la base du nuage..
Mais ce n'est pas tout ! Lorsque la rotation atteint son extension maximale vers le haut (la base du nuage), le courant ascendant va s'enrouler et provoquer une diminution du diamètre tube et une accélération du vent à l'intérieur du tube, le tout au niveau de la base nuageuse. Le misocyclone est formé!
Mais pourquoi cela ?
Il faut tout d'abord savoir que le courant ascendant en altitude est plus fort que celui au sol. Donc, au niveau de la base nuageuse, le courant ascendant est plus fort qu'en surface.
De plus, à cause de son mouvement, la rotation va attirer le courant ascendant sur toute sa structure.
Mais quand le courant ascendant sera autour d'elle, il sera bloqué car il se fera face tout autour de la rotation. Le courant ascendant va donc s'enrouler et comprimer la rotation. Mais en comprimant cette rotation, il va également l'accélérer.
Un autre phénomène va également apparaître au cours de ce processus : la pression au niveau du tube va baisser. Si cette baisse de pression est suffisante, le tube pourra se condenser.
Cet effet de compression du tube, d'accélération du vent et de baisse de pression ce prénomme DPE (Dynamic Pipe Effect).
Nous somme donc maintenant au stade où le courant ascendant à la base du nuage a comprimé au maximum la rotation. Le courant ascendant au niveau du sol ne peut plus monter car le courant ascendant au niveau de la base nuageuse bloque le passage. Ainsi, il est obliger à son tour de s'enrouler autour du tube. Mais comme nous l'avons vu, cette enroulement va provoquer une diminution du diamètre du tube, une accélération du vent et une baisse de la pression à l'intérieur du tube.
Ce phénomène va continuer jusqu'à l'extension maximale vers le bas de la rotation. Notre tornade s'est formée.
Mais pourquoi certains tubas n'atteignent pas le sol ?
Il y a plusieurs explications possibles à cela : un courant ascendant trop faible, une convergence des vent qui ne s'est pas faite en surface mais en altitude, ou tout simplement une rotation trop faible.
Voilà ! Vous savez maintenant comment se forme une tornade sous un orage monocellulaire ou un nuage convectif sans activité électrique.
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Nous avons vu précédemment comment se formaient les tornades sous des orages monocellulaires. Nous avons appris que ces dernières se formaient grâce à une convergence du vent en basse couche et au courant ascendant de la cellule orageuse qui étirait puis compressait le tube. Mais qu'en est-il pour les orages multicellulaires ?
Pour les orages multicellulaires, la formation des tornades devient plus complexe et plus variée car un nouvel acteur va faire son apparition : le courant descendant.
Avant toute chose, j'aimerai vous indiquer qu'on va plus particulièrement s'intéresser aux orages multicellulaires en ligne de rafale. Pourquoi ? Pour les autres types d'orages multicellulaires, la formation des tornades est exactement la même que pour les orages monocellulaires. En effet, ils évoluent dans un environnement cisaillé en basses couches semblable à celui des orages monocellulaires et possèdent la même configuration que ces derniers.
Mais, pour les orages multicellulaires en ligne de rafale, c'est une autre histoire...
Alors que dans un orage multicellulaire classique, le courant ascendant est à l'arrière et le courant descendant à l'avant (comme dans un orage monocellulaire), dans un orage multicellulaire en ligne de rafale, c'est le contraire ! Et ça change tout !
Le courant ascendant et descendant vont se faire face tout au long de la progression du système orageux et qui dit deux courants qui s'opposent, dit convergence !
Mais contrairement à ce que nous avons vu sur les orages monocellulaires, cette convergence va se faire sur un plan vertical car le courant ascendant sera en haut et le courant descendant en bas. Ils ne vont pas se faire face directement sur un plan horizontal (comme pour le misocyclone de l'orage monocellulaire).
Ainsi, entre ces deux flux, des tourbillons à axe horizontal vont naître.
A partir de là, les choses se corsent. A cause de cette configuration assez unique d'un orage multicellulaire en ligne de rafale, quatre types de formation de tornade seront possibles et je vais essayer au mieux de détailler chaque formation. Êtes-vous prêt ? C'est parti !
- Première formation :
Imaginons que localement sur une zone de la ligne de grain, un courant ascendant plus fort que le courant descendant qui lui fait face soit présent.
Ce dernier va donc percer la ligne et sera entouré de courants descendants devant lui, à sa gauche et à sa droite.
Quand il rencontrera un courant descendant plus fort que lui, il n'aura plus que le choix d'aller à sa gauche ou à droite.
Admettons qu'elle aille à droite. Le courant ascendant va donc rencontrer le courant descendant qui était à sa droite. Mais il va rencontrer notamment le tourbillon horizontal de ce courant descendant sur le même axe que sa progression !
Le courant ascendant va donc se mêler à la rotation du tourbillon horizontal et il va l'étiré et l'incliné vers le haut jusqu'à ce qu'il soit parfaitement vertical. Le misocyclone est formé !
Et ensuite ?
Il s'agit du même processus que le misocyclone de l'orage monocellulaire : le courant ascendant va s'enrouler et provoquer une diminution du diamètre tube, une accélération du vent et une baisse de pression à l'intérieur du tube jusqu'à l'extension maximale vers le bas de la rotation.
Notre tornade s'est formée !
- Deuxième formation et troisième formation :
Imaginons maintenant que sur une zone de la ligne de grain, un courant descendant plus fort que le courant ascendant qui lui fait face soit présent. Quand ce courant descendant va se propager, il va provoquer une accélération de la structure devant lui. La ligne de grain va donc prendre une forme arquée.
On appelle ce type de ligne de grain, une ligne de grain en arc (en anglais Bow Echo).
Que va-t-il se passer d'un point de vue rotatif ?
Plein de choses ! Rappelez-vous des tourbillons horizontaux dont je vous avais fait mention dans la partie descriptif de la ligne de grain. Ces derniers vont jouer un très grand rôle sur le formation de la tornade car ce sont eux qui seront à l'origine de la tornade.
Ces tourbillons auront deux moyens pour devenir verticaux :
- soit le courant descendant de l'orage plaque au sol ces tourbillons horizontaux. Ces tourbillons resteront donc horizontaux. Mais sur les extrémités du courant descendant, ces tourbillons horizontaux deviendront verticaux.
- soit le courant ascendant en heurtant le puissant courant descendant entraîne avec lui les tourbillons horizontaux. Ainsi, deux tourbillons verticaux naîtront aux extrémités.
Que se passe-t-il ensuite ?
L'une des deux rotations (ou les deux) va (vont) prendre de l'ampleur.
Le courant ascendant va s'enrouler autour de cette rotation et va provoquer une diminution du tube ainsi qu'une baisse de pression à l'intérieur du tube jusqu'à l'extension maximale vers le bas de la rotation.
Notre tornade s'est formée !
- Quatrième formation : (la dernière!)
Cette quatrième formation est exactement la même que la seconde et la troisième formation mais elle se déroule à plus grande échelle. Les tourbillons qui se forment à ses extrémités se prénomment « bookend vortex ». Ces vortex sont beaucoup plus larges que ceux de la seconde et troisième formation. Ils sont même plus grands que les mésocyclones des supercellules. La seule différence qui va s'installer avec la seconde et la troisième formation, c'est la force de Coriolis qui va interagir avec la rotation. En effet, puisque la rotation est très grande (<10 km), les forces de Coriolis vont donc s'appliquer sur la structure et donc c'est la rotation cyclonique (dans le sens contraire des aiguilles d'une montre) qui sera privilégiée dans l'hémisphère Nord. Elle sera anticyclonique (dans le sens des aiguilles d'une montre) dans l'hémisphère Sud.
En ce qui concerne la formation de la tornade, elle sera exactement la même que pour les 3 autres formations. Le courant ascendant va s'enrouler autour de la structure, provoquer une diminution de largeur du tube et une baisse de la pression à l'intérieur du tube permettant ainsi la condensation du tube.
Les tornades naissant dans les bookend vortex sont très dangereuses car elles sont toujours entourées de pluie, ce qui rend cette tornade presque invisible. On parle de tornade « rain-wrapped ».
Voilà ! Vous savez maintenant tout sur la formation des tornades sous les orages en ligne de rafale !
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Lors du dernier tutoriel, nous nous sommes intéressés à la formation des tornades dans les orages multicellulaires en ligne de rafale. Nous avons vu que la réalité est bien plus complexe que nous le pensions et je dois bien vous avouer que ce tutoriel était difficile à appréhender puisque les découvertes sur ces types de tornade sont très récentes (2008) et sont peu connus du public. On associe souvent les lignes de grain à des rafales de vent mais il faut savoir que les tornades se formant dans ces systèmes orageux sont très fréquentes. Au Royaume-Uni, on estime que 46,4 % des cas de tornade naissent sous des orages multicellulaires en ligne de rafale.
Mais qu'en est-il des orages supercellulaires ? Est-ce aussi complexe ? Je vous rassure, la formation des tornades supercellulaires est très facile à appréhender. Elle nécessite tout d'abord une large rotation nommée mésocyclone. Ce dernier est le moteur de la supercellule. C'est cette rotation qui définie la supercellule et qui permet de maintenir l'orage pendant plusieurs heures et d'accroître sa violence par rapport aux autres cellules.
Comment se forme-t-elle ?
Pour qu'un mésocyclone se forme, il faut des conditions particulières : il faut un cisaillement de vitesse et un fort courant ascendant.
Le cisaillement de vitesse est tout simplement une différence de vitesse qu'il y a entre un point en altitude avec un autre point situé à une autre altitude. Plus la différence de vitesse sera élevée, plus le cisaillement sera élevé.
Au niveau de ce cisaillement, des tourbillons à axe horizontal pourront se former car le vent sera entraîné (comme les pales d'une hélice d'un avion).
Ces rotations sont très fréquentes dans l'atmosphère puisque le vent est toujours plus fort en altitude par rapport à celui qui est en surface.
Que se passe-t-il ensuite ?
Lorsque ce tourbillon à axe horizontal va passer en-dessous d'un cumulus bourgeonnant, le courant ascendant de ce cumulus va élever cette rotation et la briser en deux.
Il y aura ainsi 2 rotations : une qui sera cyclonique, une autre qui sera anticyclonique. Or comme nous le savons, il n'y a qu'un mésocyclone dans une supercellule (généralement). La rotation dominante va être celle qui sera la mieux alimentée par le courant ascendant. Pour l'hémisphère Nord (Sud), c'est la rotation cyclonique (anticyclonique) qui sera privilégiée.
Notre mésocyclone est ainsi formé !
Après la formation de cette rotation, il existe une étape intermédiaire qui n'est pas nécessaire pour tous les cas de tornade. Nous allons tout de même détailler cette partie.
Une deuxième rotation en plus du mésocyclone peut être nécessaire si le mésocyclone ne s'est pas développé dans les basses couches. On nomme cette rotation : mésocyclone de bas niveau ou de basses couches.
Ce dernier se forme grâce au courant descendant avant de l'orage (FFD).
Lorsque le courant descendant avant va heurter le courant ascendant, un tourbillon à axe horizontal va se former à la limite entre ces deux flux. Ce tourbillon va se prolonger tout au long du FFD. Or ce dernier s'étend jusqu'au mésocyclone. En dessous de ce mésocyclone, un puissant courant ascendant est présent et lorsque ce tourbillon horizontal rencontrera ce flux d'air, le tourbillon horizontal va rapidement se relever et devenir vertical.
Notre mésocyclone de bas niveau est formé !
A ce moment là, notre rotation est puissante et parfaitement stable. Il ne reste plus qu'un dernier coup de pouce pour que la tornade se forme.
Ce coup en pouce, en réalité, il en existe 3. Notre tornade aura donc 3 choix pour faire son apparition. On nomme ces processus : « top-down », « bottom-up » et « vortex breakdown ».
- Le premier mécanisme est exactement le même que pour la tornade misocyclonique :
le courant ascendant au niveau de la base nuageuse est plus fort que celui au sol. A cause de son mouvement, le mésocyclone de bas niveau va attirer le courant ascendant sur toute sa structure. Mais quand le courant ascendant sera autour de lui, il sera bloqué car il se fera face tout autour de la rotation. Le courant ascendant va donc s'enrouler et comprimer la rotation.
Mais en comprimant cette rotation, il va également l'accélérer. Mais ce n'est pas tout ! La pression au niveau du tube va baisser et cette baisse de pression va engendrer une condensation du tube. Que se passe-t-il ensuite ?
Le courant ascendant au niveau du sol ne peut plus monter car le courant ascendant au niveau de la base nuageuse bloque le passage. Ainsi, il est obligé à son tour de s'enrouler autour du tube. Mais comme nous l'avons vu, cette enroulement va provoquer une diminution du diamètre du tube, une accélération du vent et une baisse de la pression à l'intérieur du tube. Ce mécanisme continuera jusqu'à ce que la rotation soit comprimée sur toute sa structure.
Notre tornade est formée !
- Le second mécanisme nécessite la présence du courant descendant arrière (RFD).
Quand le courant descendant arrière frappe le sol, un tourbillon à axe horizontal se forme à l'avant de ce courant.
Lorsqu'il s'aventurera au-dessus du mésocyclone, ce dernier va être relevé par le courant ascendant de l'orage.
Comme pour le mésocyclone, deux rotations seront présentes : une sera cyclonique, l'autre anticyclonique. Si le mésocyclone possède une rotation cyclonique (anticyclonique), ce sera le tourbillon à rotation cyclonique (anticyclonique) qui va se greffer au mésocyclone.
Le tourbillon qui est rejeté par le mésocyclone peut encore créer une tornade mais à l'écart du mésocyclone. Si les conditions sont parfaitement cisaillées, le tourbillon se transformera en un misocyclone et formera une tornade.
Nos tornades sont formées !
- le troisième mécanisme est celui qui est à l'origine des tornades à multi-vortex :
imaginez que notre supercellule a opté pour l'un des deux premiers mécanismes et que cette rotation prend de l'ampleur (image A). Lorsque la vitesse s'accélère autour du tube, la pression diminue fortement jusqu'à former un creux à l'intérieur du tube (image B). A cause de ce creusement, un courant descendant va naître à l'intérieur du tube. Quand ce courant descendant heurtera le sol, il va se propager puis faire face au courant ascendant au niveau de la paroi du tube (image C). Ainsi, au niveau de la rencontre entre ces deux flux, le courant descendant va être entraîné par le courant ascendant, ce qui va permettre de créer des tourbillons à axe vertical (image D).
Notre tornade multi-vortex est formée !
Ce type de tornade est très dangereux car le courant descendant permet de créer un flux continu d'air et donc permet à l'air se renouveler et donc de stabiliser la tornade. C'est pour cela que les tornades multi-vortex sont connus pour leur capacité à parcourir de longue distance.
Nous avons donc vu que plusieurs mécanismes sont possibles pour qu'une tornade se forme sous une supercellule. Il devrait ainsi y avoir beaucoup de tornade mésocyclonique. Mais ce n'est pas le cas ! Seulement 30 % des supercellules créent des tornades. Pourquoi cela ? On l'ignore toujours ! Cela reste encore un grand mystère pour la communauté scientifique. Peut-être, dans les années à venir, nous saurons enfin pourquoi 70 % des supercellules n'arrivent pas à créer des tornades.
Et voilà ! Notre tutoriel sur la formation des tornades est enfin terminé ! Vous savez maintenant tout sur les tornades. J'espère qu'il vous a plu et je vous remercie d'avoir pris le temps de le lire :)