Comment se forment les tornades ?

 

Ce tutoriel sur la formation des tornades se base pour la majeure partie de son contenu sur un dossier-tutoriel d'origine rédigé par notre coéquipier Gwenael Milcareck, qui nous a aimablement autorisé à le retranscrire ici.
Alors que nombre d'écrits sur le même thème ne s'intéressent qu'aux conditions de formation dans le contexte supercellulaire, le grand intérêt du présent dossier est qu'il prend en compte chaque grand type de système orageux : orages monocellulaires, orages multicellulaires et orages supercellulaires. Nombre de tornades se développent en effet dans des contextes non-supercellulaires, non seulement aux USA (contrairement à ce qu'on pourrait croire) mais bien sûr aussi en Europe de l'Ouest où leur proportion sur le total n'est pas à négliger.




1) Formation des tornades sous les orages monocellulaires et les nuages convectifs sans activité électrique

 

Commençons par la plus simple d'entre ces conditions de formation : celle des tornades sous les orages monocellulaires et les nuages convectifs sans activité électrique (stade précédant l'orage monocellulaire).
Première caractéristique, les tornades et tubas qui se forment sous un orage monocellulaire ou sous un simple nuage convectif prennent tous naissance sous un misocyclone. Qu'est-ce qu'un misocyclone ? Tous les passionnés connaissent le mésocyclone, rotation dans une supercellule, mais beaucoup moins le misocyclone qui en est une sorte de "cousin"  qui se différencie par ses besoins nettement moindres en mécanisme et cisaillement, ainsi que par ses dimensions. En effet, si un mésocyclone possède un diamètre supérieur ou égal à 4 km,  un misocyclone, lui, possède un diamètre inférieur à 4 km. Sachant toutefois que certains cas de mésocyclone ou misocyclone dérogent à la règle, intéressons-nous maintenant à la formation du misocyclone.

Cette rotation prend naissance au niveau d'une ligne de convergence (sur le plan horizontal) dans les basses couches. Quand deux flux de directions différentes se rencontrent, une rotation à axe vertical se forme au niveau du point où ils se rencontrent.

         

Illustrations 1 et 2 : formation d'un misocyclone  - © Gwenael Milcareck



Mais, éphémère et très lente, cette rotation ne peut se développer en tornade. Pour qu'elle prenne de l'ampleur, intervient alors un élément très important pour son extension : le courant ascendant d'un nuage convectif ou d'un orage monocellulaire.
Tout nuage convectif ou orage monocellulaire possède un courant ascendant, qui lui permet de se charger en humidité et en chaleur. Quand ce nuage convectif va s'aventurer au-dessus de cette rotation, le courant ascendant va alors 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 alors formé.

Mais pourquoi cela ?
Il faut tout d'abord savoir que le courant ascendant est plus fort en altitude, donc au niveau de la base nuageuse, qu'au sol.  De plus, par son mouvement la rotation va attirer le courant ascendant sur toute sa structure.
 

Illustration 3 : élongation du tourbillon par le courant ascendant - © Gwenael Milcareck

 

      
Illustrations 4 et 5 : interactions entre rotation et courant ascendant dans la formation d'une tornade sous monocellulaire ou nuage convectif - © Gwenael Milcareck
 


Une fois le courant ascendant autour d'elle, ce dernier se retrouvera alors bloqué car il se fera face tout autour de la rotation. Il va donc s'enrouler et comprimer la rotation mais ce faisant, il va également l'accélérer. Un autre phénomène va également apparaître au cours de ce processus : c'est la baisse de pression, qui peut se rendre responsable de la condensation au niveau du tube lorsqu'elle parvient à un stade suffisant.
On nomme DPE (Dynamic Pipe Effect) ce triple effet de compression du tube, d'accélération du vent et de baisse de pression.

Nous sommes donc parvenus au stade où le courant ascendant à la base du nuage a comprimé au maximum la rotation. Au niveau du sol, le courant ascendant ne peut plus monter car celui de la base nuageuse bloque le passage. A son tour, il se retrouve alors contraint de s'enrouler autour du tube mais, comme nous l'avons vu, cet enroulement va provoquer une diminution du diamètre du tube, une accélération du vent et une baisse de la pression à l'intérieur du tube.
Phénomène qui va continuer jusqu'à l'extension maximale vers le bas de la rotation. Notre tornade s'est formée.

    

Illustrations 6 et 7 : derniers stades de la formation d'une tornade sous monocellulaire ou nuage convectif - © Gwenael Milcareck
 



Pourquoi certains tubas n'atteignent-ils 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 seulement en altitude, ou tout simplement une rotation trop faible. Les tubas ou simples amorces de tornades sont bien plus nombreux que leurs consoeurs qui touchent le sol et pour qui sait observer le ciel, il n'est pas rare du tout d'en observer. Le caractère aléatoire de la conjonction de tous les facteurs explique bien sûr leur fréquence par rapport aux tornades.



FIN DE LA PREMIERE PARTIE

                                →  Page 2 : Formation des tornades sous les orages multicellulaires 
                                →  Page 3 : Formation des tornades sous les orages supercellulaires

 

2) Formation des tornades sous les orages multicellulaires

 

Nous venons de voir comment se formaient les tornades sous des orages monocellulaires, grâce à une convergence du vent en basse couche et au courant ascendant de la cellule orageuse qui étire puis compresse le tube. Qu'en est-il maintenant pour les orages multicellulaires ?

Dans ce nouveau contexte, la formation des tornades devient plus complexe et plus variée car un nouvel acteur va faire son apparition : le courant descendant.
Avant toute chose, précisons que nous allons plus particulièrement nous intéresser aux orages multicellulaires en ligne de rafale. Pourquoi ? Tout simplement parce qu'au sein des autres types d'orages multicellulaires, la formation des tornades est exactement la même que sous 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. Voir donc en page 1 pour la formation des tornades dans ce type de contexte.
 

   

Illustrations 8 et 9 : orage monocellulaire mobile et orage multicellulaire classique parvenu à maturité - © Gwenael Milcareck d'après des schémas du Departement of Earth and climate Sciences -Sans Francisco State University



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.

 
Illustration 10 : orage multicellulaire en ligne de rafales - © House et al. 1989

 

Au sein d'un tel orage, les 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. Sauf que cette fois-ci, contrairement à ce que nous avons vu pour les orages monocellulaires, cette convergence va s'effectuer 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, des tourbillons à axe horizontal vont-ils pouvoir se former entre ces deux flux.
 

 
Illustration 11 - © The COMET Program


C'est à partir de là que les choses vont se corser. En effet au sein de cette configuration assez unique d'un orage multicellulaire en ligne de rafale, pas moins de quatre types de formation de tornades seront possibles et je vais essayer au mieux de détailler chaque formation. Êtes-vous prêt ? C'est parti !

 

Premier cas de figure


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 (ill. 12).Ce dernier va donc percer la ligne et sera entouré de courants descendants devant lui, à sa gauche et à sa droite (ill 13).
 

        
Illustrations 12 et 13 : percement de la ligne par un courant ascendant plus fort que son vis-à-vis - ©  Gwenael Milcareck

 

De ce fait, dès qu'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 maintenant qu'il aille à droite. Le courant ascendant va donc rencontrer le courant descendant qui était à sa droite mais ce faisant, il va -aussi- rencontrer notamment le tourbillon horizontal de ce courant descendant sur le même axe que sa progression.
 

Illustration 14 : Rencontre entre le courant ascendant et le tourbillon horizontal d'un courant descendant - © Gweanel Milcareck

  

Notre courant ascendant va donc se mêler à la rotation du tourbillon horizontal qu'il va étirer et incliner vers le haut jusqu'à ce qu'il soit parfaitement vertical. Le misocyclone est formé.
 

   
Illustrations 15 et 16 : interaction entre le courant ascendant et le tourbillon et étirement de ce dernier - © Gweanel Milcareck


Et ensuite ?
Et bien le processus sera le même que pour le misocyclone de l'orage monocellulaire : le courant ascendant va alors s'enrouler et provoquer une diminution du diamètre du 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 et troisième cas de figure


Imaginons maintenant que sur une zone de la ligne de grain, il se trouve un courant descendant plus fort que le courant ascendant qui lui fait face.
Quand ce courant descendant va se propager, il va alors provoquer une accélération de la structure devant lui et la ligne de grains va prendre une forme arquée nettement visible sur les images radar comme celle présentée ci-contre. C'est pourquoi on va donner à cette ligne de grains le nom de ligne de grain en arc (en anglais Bow Echo).
 

Illustration 17 ci-contre : Ligne de grains en arc (la flèche indique le point de rupture de l'alignement et le départ de l'accélération) - © National Weather Service

 

Que va-t-il maintenant se passer d'un point de vue rotatif ? Plein de choses. Rappelez-vous des tourbillons horizontaux précédemment mentionnés dans la partie descriptive de la ligne de grain. Ces derniers vont dès lors jouer un très grand rôle dans le processus de formation de la tornade : ce sont eux en fait qui en seront à l'origine.

Pour devenir verticaux, ces tourbillons peuvent procéder de deux manières distinctes :
- soit le courant descendant de l'orage plaque au sol ces tourbillons horizontaux qui restent donc horizontaux. Mais sachant que sur les extrémités de ce courant descendant, les tourbillons horizontaux deviendront verticaux. (ill. 18)
- soit le courant ascendant en heurtant le puissant courant descendant entraîne avec lui les tourbillons horizontaux. Ainsi, deux tourbillons verticaux naîtront aux extrémités. (ill. 19)

      
Illustrations 18 et 19 : verticalisation des tourbillons horizontaux au sein d'une ligne de grains  © Trapp et Weisman  /  © Nolan T. Atkins et Michael St. Laurent


Une fois les tourbillons devenus verticaux, l'une des deux rotations (ou les deux) va (vont) prendre de l'ampleur. Le courant ascendant va alors s'enrouler autour de cette rotation et provoquer une diminution des dimensions 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 et dernier cas de figure


Ce quatrième type de formation d'une tornade est en réalité exactement le même que le second et le troisième mais la différence fondamentale est qu'il se déroule à plus grande échelle. On appelle "bookend vortex"  les tourbillons qui se forment aux extrémités d'un écho, vortex beaucoup plus larges que ceux que l'on trouve dans les second et troisième cas de figure. Ces bookend vortex sont même plus grands que les mésocyclones des supercellules c'est dire si nous nous trouvons dans une autre dimension. Pour la tornade d'intensité F1/T2 survenue à Arvert (17) le 3 novembre 2014, on soupçonne la présence d'un bookend vortex, lequel par sa proximité avec des rafales descendantes explique le caractère hétéroclite des dégâts.
Un facteur va alors caractériser le déroulement de la formation dans ce quatrième cas de figure : la force de Coriolis qui va interagir avec la rotation. L'amplitude de cette dernière rotation (<10 km) est en effet suffisamment grande pour que les forces de Coriolis s'appliquent sur la structure en imprimant de façon privilégiée une rotation cyclonique (dans le sens contraire des aiguilles d'une montre) dans l'hémisphère Nord. Cette même rotation sera anticyclonique (dans le sens des aiguilles d'une montre) dans l'hémisphère Sud.

 
Illustration 20 - © Operational Weather Cafe

Par contre la formation même de la tornade se déroulera de façon identique à celle des 3 autres cas de figure : là encore 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.
Notons enfin que les tornades naissant dans les bookend vortex sont très dangereuses car toujours entourées de pluie ce qui les rend presque invisibles. On parle de tornade « rain-wrapped ».

Pour conclure cette partie consacrée aux tornades en contexte multicellulaire, précisons enfin que la réalité de ce type de cas est bien plus complexe que nous le pensions. De l'aveu même de son auteur la conception du tutoriel a été rendue difficile par le caractère très récent des découvertes concernant ces types de tornade (2008), encore peu connues du public. On associe souvent les lignes de grain à des rafales de vent mais il faut savoir que les tornades dans le contexte de ces systèmes orageux sont très fréquentes. Au Royaume-Uni par exemple, on estime que 46,4 % des cas de tornade naissent sous des orages multicellulaires en ligne de rafale.

 

FIN DE LA DEUXIEME PARTIE

                                →  Page 1 : Formation des tornades sous les orages monocellulaires et les nuages convectifs sans activité électrique
                                →  Page 3 : Formation des tornades sous les orages supercellulaires

 

3) Formation des tornades sous les orages supercellulaires

 

Maintenant, qu'en est-il des orages supercellulaires ? Contrairement à ce qu'on pourrait croire, la formation des tornades en contexte supercellulaire est très facile à appréhender. Elle nécessite tout d'abord une large rotation nommée mésocyclone, qui est le moteur de la supercellule. C'est en effet cette rotation qui définit la supercellule et permet de maintenir l'activité orageuse durant plusieurs heures en accroissant sa violence par rapport aux autres cellules.

Comment cette rotation se forme-t-elle ?
Pour qu'un mésocyclone se forme, il faut des conditions particulières, incluant la présence d'un cisaillement de vitesse et d'un fort courant ascendant.
On appelle cisaillement de vitesse tout simplement une différence de vitesse existant 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. (ill 21)
Lorsque ce tourbillon à axe horizontal va passer en-dessous d'un cumulus bourgeonnant, le courant ascendant de ce dernier va élever cette rotation et la briser en deux (Ill 22) donnant ainsi 2 rotations : l'une cyclonique, l'autre anticyclonique. Or comme nous le savons, il n'y a -généralement- qu'un seul mésocyclone dans une supercellule. C'est la rotation la mieux alimentée par le courant ascendant qui sera dominante. Notre mésocyclone est donc formé. Précisons également que selon l'hémisphère où nous nous trouvons, c'est la rotation cyclonique (hémisphère Nord) ou anticyclonique (hémisphère Sud) qui sera privilégiée.

            

  

Illustration 21 et 22 : rotation horizontale générée par le cisaillement de vitesse / Elevation et "scission" en deux du tourbillon horizontal par le courant ascendant d'un cumulus -  © National Weather Service

Une fois cette rotation formée, peut alors survenir dans certains cas une étape intermédiaire : la formation d'un mésocyclone de bas niveau. Bien qu'elle ne soit pas systématiquement présente, cette étape mérite un développement particulier.
Pour bien la comprendre, il faut tout d'abord savoir qu'une deuxième rotation en plus du mésocyclone peut être nécessaire si le mésocyclone ne s'est pas développé dans les basses couches. C'est précisément cette deuxième rotation que l'on appelle mésocyclone de bas niveau ou de basses couches. Ce type de mésocyclone se forme grâce au courant descendant avant de l'orage (FFD).

                     
IIlustrations 23 et 24 : Formation d'un mésocyclone de bas niveau - On the Role of Deep Columnar Convective Vortices within the Atmosphere, © Charles A. Doswell III (ill. 23) /  How to make a tornade © Weatherwise (ill 24)


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, tourbillon qui 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 stade, notre rotation est -précisons-le- puissante et parfaitement stable. Il ne reste donc plus qu'un dernier coup de pouce pour que la tornade se forme. En réalité ce coup en pouce se décline en 3 possiblités distinctes. On nomme ces processus  « top-down », « bottom-up » et « vortex breakdown ».
 

Le premier mécanisme dit "top-down" 

Il est exactement similaire à celui de la tornade misocyclonique (partie 1 du dossier). Le courant ascendant au niveau de la base nuageuse étant plus fort que celui au sol, le mouvement du mésocyclone de bas niveau va attirer le courant ascendant sur toute sa structure. Mais une fois ce dernier présent 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 ce faisant, il va également l'accélérer, comme nous l'avons déjà vu précédemment pour les autres types de tornade. Sans oublier que la pression au niveau du tube va baisser et engendrer une condensation du tube.
Que se passe-t-il ensuite ? Le courant ascendant au niveau du sol ne va plus pouvoir monter car le courant ascendant présent au niveau de la base nuageuse lui bloque le passage. Ainsi est-il contraint à son tour de s'enrouler autour du tube. Mais comme nous l'avons vu, cet enroulement va provoquer une diminution du diamètre du tube, une accélération du vent et une baisse de la pression à l'intérieur du tube, le désormais classique triple mécanisme qui perdurera jusqu'à ce que la rotation soit comprimée sur toute sa structure. Notre tornade est formée.

         

Illustrations 25, 26 et 27 : formation d'une tornade mésocyclonique de type "top-down" - © Gwenael Milcareck


Le second mécanisme dit "bottom-up"

Il nécessite la présence du courant descendant arrière (RFD) (ill. 28). Quand le courant descendant arrière frappe le sol, un tourbillon à axe horizontal se forme à l'avant de ce courant (ill. 29) et lorsque ce dernier s'aventurera au-dessus du mésocyclone, il va être relevé par le courant ascendant de l'orage (ill. 30).

 
   
Illustrations 28, 29 et 30 : Formation d'une tornade mésocyclonique de type "bottom-up"  - On the Role of Deep Columnar Convective Vortices within the Atmosphere, © Charles A. Doswell III (ill. 28)  /  © 2011 Encyclopaedia Britannica, Inc (ill. 29)  /  ©  MET 4300 Lecture 28 Tornadoes III (ill. 30)


Comme pour le mésocyclone, deux rotations seront présentes : l'une sera cyclonique, l'autre anticyclonique. Selon que le mésocyclone possède une rotation cyclonique ou anticyclonique, ce sera le tourbillon à rotation cyclonique ou anticyclonique qui va alors se greffer au mésocyclone. Le tourbillon rejeté par le mésocyclone peut encore créer une tornade mais cette dernière restera 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 dit "vortex breakdown" 

C'est ce mécanisme qui est à l'origine des tornades multi-vortex. Imaginez que notre supercellule ait opté pour l'un des deux premiers mécanismes et que cette rotation prenne de l'ampleur (ill. 31, image A). Lorsque la vitesse s'accélère autour du tube, la pression diminue alors fortement jusqu'à former un creux à l'intérieur du tube (ill. 31, image B). Du fait de ce creusement, un courant descendant va naître à l'intérieur du tube lequel, en heurtant le sol, va se propager puis faire face au courant ascendant au niveau de la paroi du tube ( ill. 31, image C). Ainsi, au niveau de la rencontre entre ces deux flux, le courant descendant va-t-il être entraîné par le courant ascendant ce qui va permettre de créer des tourbillons à axe vertical ( ill. 31, image D). Notre tornade multi-vortex est formée.

Illustration 31 : Formation d'une tornade multivortex - © MET 4300 Lecture 28 Tornadoes III (cliquer sur le lien)

Précisons que ce type de tornade est très dangereux car le courant descendant y entretient un flux continu d'air, favorisant le renouvellement de l'air et donc la stabilisation de la tornade. C'est pour cela que les tornades multi-vortex sont connues pour leur capacité à parcourir de longues distances.

Nous avons donc vu que plusieurs mécanismes sont possibles pour qu'une tornade se forme sous une supercellule. On pourrait en conclure fort logiquement que les tornades mésocycloniques devraient être nombreuses. Or il n'en est rien. Seulement 30 % des supercellules entraînent la formation de tornades. Pourquoi cela ? La communauté scientifique l'ignore toujours. Cela fait partie des mystères non encore élucidés de la science. Peut-être, dans les années à venir, découvrirons-nous pourquoi 70 % des supercellules n'arrivent pas à créer des tornades.

FIN DE LA TROISIEME PARTIE

                                →  Page 1 : Formation des tornades sous les orages monocellulaires et les nuages convectifs sans activité électrique
                                →  Page 2 : Formation des tornades sous les orages multicellulaires


Voir également Trombes et tornades en France, Les tornades en centre Ouest

 

Tous droits réservés - Association Ouest-orages