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Tornade : structure, évolution et échelle de Fujita

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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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 sa période de maturité, l'orage se déplace et emporte avec lui une masse sans cesse renouvelée d'air humide et instable. À de rares occasions, le courant ascendant et le cyclone à tornades qui l'accompagne atteignent un état stationnaire et l'orage devient alors une « supercellule ».

L'œil d'un cyclone. © Terry Virts, Nasa, DP

Tornade des trois États, la tornade la plus destructrice

Dans certaines supercellules, l'intensité du cyclone 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 cyclone reste actif pendant plusieurs heures et ne donne qu'une seule et longue tornade qui sème la désolation sur son passage, aux États-Unis. La tornade la plus destructrice jamais enregistrée est la tornade des trois États du 18 mars 1925, qui provoqua la mort de 689 personnes sur un parcours de 352 kilomètres, du sud-est du Missouri au sud-ouest de l'Indiana, en passant par l'Illinois.

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 ; il peut même changer au cours de la vie de la tornade. Il existe néanmoins quelques propriétés générales.

Structure d'un orage supercellulaire avec les mouvements de l'air indiqués par les flèches noires, incluant la très large circulation de mésocyclone en rouge et, sous celle-ci, la tornade de beaucoup plus faible diamètre. On remarque également la présence d'un nuage-mur, ou mur de nuages, sous l'orage, associé au courant ascendant. © Michael Graf, CC by-sa 3.0

Tornades faibles, fortes ou violentes : l'échelle de Fujita

Il existe différents types de tornades. Celles-ci sont classées « faibles », « forte » voire « violentes ».

Les tornades classées « faibles » selon l'échelle mise au point par T. Fujita de l'université de Chicago (la vitesse maximale des vents est alors comprise entre 65 et 180 kilomètres à l'heure) sont associées à un tuba 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.