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Causes des tornades : jet stream, orages et zone d'inversion de température

Dossier - Tout savoir sur les tornades
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Qu'est-ce qu'une tornade ? De la description phénoménologique aux différentes étapes de formation de ces incroyables tourbillons (courants ascendants, tube dynamique, cisaillements, étirement, convergence) en passant par leur évolution et leur structure, découvrez tout de ce phénomène étonnant dans notre dossier. L'occasion également d'en apprendre plus sur les moyens de détection des tornades comme les dispositifs à effet Doppler.

  
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Les tornades prennent naissance dans les courants ascendants des orages. Les orages, quant à eux, apparaissent dans une atmosphère instable telle que lorsqu'une masse d'air commence à monter, sa vitesse croît au cours de la montée. Découvrez-en plus sur les causes des tornades.

Dans l'atmosphère, la pression, et en général la température, diminuent avec l'altitude : une masse d'air ascendante se refroidit en se dilatant, du fait de la diminution de pression. Dans une atmosphère instable, en revanche, la température de l'air ambiant diminue plus vite avec l'altitude que celle d'une masse d'air soulevée : cette masse d'air peut ainsi devenir plus chaude et donc moins dense que le nouvel environnement et elle s'élève alors d'elle-même. Ce mouvement ascendant, que l'on appelle la convection libre, est un processus libérateur d'énergie : l'énergie potentielle emmagasinée dans l'atmosphère instable se transforme en énergie cinétique de déplacement.

Nuages suivant la ligne du jet stream, ou courant-jet, au Canada. © Nasa, DP

Niveau de condensation ascendante et niveau de convection libre

Dans la réalité, il est rare que la température de l'atmosphère diminue plus vite que celle de la masse d'air ascendante. Cependant, l'air au niveau du sol est en général humide ; quand il s'élève, il se refroidit jusqu'à son point de rosée, à un niveau appelé « niveau de condensation ascendante », ou NCA, et la vapeur d'eau qu'il contient commence à se condenser.

La condensation libère une certaine quantité de chaleur, la chaleur latente fournie à l'eau au moment de son évaporation. Il en résulte une diminution notable de la vitesse de refroidissement de la masse d'air ascendante. Généralement, si l'on porte cette masse d'air à une altitude légèrement supérieure au NCA, elle atteint un niveau où elle devient plus chaude que l'air environnant : le « niveau de convection libre », ou NCL. Elle s'élève alors librement jusqu'à ce que sa température soit de nouveau en équilibre avec la température environnante. Ce niveau d'équilibre correspond au sommet du nuage ; la base plate à l'avant de l'orage se situe au NCA.

Couches d'air et zone d'inversion de température

Une atmosphère instable est constituée en général d'une couche d'air de surface, humide et chaud, surmontée d'air froid plus sec. Ces deux couches sont souvent séparées par une zone d'inversion de température, c'est-à-dire une mince couche d'air où la température augmente avec l'altitude. Une masse d'air s'élevant à travers cette couche sera plus froide que l'air qui l'entoure et aura tendance à être repoussée vers le bas. L'inversion est donc très stable : elle empêche tout mouvement ascendant et rétablit l'équilibre.

Au cours de la journée, lorsque le sol est chauffé par le Soleil, l'air emprisonné sous cette inversion se réchauffe encore plus et peut également devenir plus humide du fait de l'évaporation. Si la zone d'inversion est localement érodée par des mélanges avec la couche inférieure ou si des phénomènes à grande échelle la soulèvent en bloc, la couche de surface devenue très instable jaillit violemment à certains endroits. L'air à la surface du sol s'écoule alors horizontalement vers ces points d'éruption et forme de hauts nuages d'orage.

La zone d'inversion de température correspond à une mince couche d'air où la température augmente avec l'altitude. © DR

Le jet stream ou courant-jet

Une inversion locale peut s'atténuer ou même disparaître complètement si le jet stream, ou courant-jet, passe au-dessus d'elle avec une force maximale (le jet stream est un courant de vents forts qui soufflent d'ouest en est à une altitude comprise entre 8 et 12 kilomètres).

Le jet stream au-dessus des États-Unis est généralement associé au front polaire, qui constitue la frontière entre les masses d'air polaire et tropical ; il se déplace vers le nord ou vers le sud, suivant la position saisonnière de ce front. Le cœur du jet mesure environ 100 kilomètres de largeur (dans la direction nord-sud) et un kilomètre de hauteur. La vitesse des vents dans le jet varie entre 90 kilomètres à l'heure et un maximum estimé de 360 kilomètres à l'heure (les météorologistes évaluent généralement la vitesse des vents en mètres par seconde mais nous utiliserons ici le kilomètre à l'heure, qui est une unité plus usuelle).

Orages et tornades

À l'intérieur du jet stream, des vents particulièrement intenses, soufflant sur plusieurs centaines de kilomètres, se déplacent dans le sens du courant en refoulant vers le bas l'air devant eux et en aspirant vers le haut l'air derrière eux. Ce phénomène d'aspiration ascendante, s'il est suffisamment fort, peut dissiper une inversion et favoriser la formation d'orages ou l'intensification des orages en cours.

Quand un orage engendre une tornade, on observe presque toujours cette configuration favorable des masses d'air à haute altitude. Même en présence d'une telle configuration, un courant ascendant n'apparaît que si l'air instable au voisinage du sol est poussé jusqu'à la convection libre ; cette poussée mécanique indispensable a des causes diverses. L'une d'elles est l'ascension forcée de l'air le long d'une pente par des phénomènes météorologiques à grande échelle. On observe aussi ce genre de propulsion sur un front froid, où de l'air froid et dense s'avance dans une région plus chaude, se frayant un chemin sous l'air chaud en le soulevant.