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Les dispositifs à effet Doppler : radar et lidar

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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Le phénomène des tornades pourrait être mieux connu grâce à des techniques de télédétection : le radar Doppler et son plus récent partenaire, le lidar Doppler. Les dispositifs à effet Doppler mesurent la différence de fréquence entre une micro-onde ou un faisceau de lumière transmis et l'écho renvoyé par des gouttelettes d'eau ou des particules de poussière dans l'atmosphère.

Le principe des dispositifs à effet Doppler est le suivant : la fréquence augmente si la cible se déplace vers le radar, diminue si elle s'en éloigne et reste inchangée si elle se déplace latéralement. La projection de la vitesse du vent sur la ligne de visée est alors proportionnelle à la valeur de la variation de fréquence.

Le GPM Core Observatory est un satellite d'observation utilisant un radar Doppler. © Nasa

Le radar Doppler

Les mesures par radar Doppler effectuées au cours des dix dernières années ont permis de préciser les phénomènes à grande échelle du courant interne d'un orage. Les mésocyclones en particulier engendrent des signaux facilement reconnaissables sur l'écran radar, parce que dans les mésocyclones, les vents tourbillonnant en altitude changent de direction sur une courte distance.

C'est le radar Doppler qui a fourni la plus grande masse de données sur l'évolution des mésocyclones, comme par exemple le fait que le mouvement de rotation semble démarrer dans la troposphère moyenne avant de se propager vers le bas et vers le haut. L'utilité de cet instrument est limitée par sa résolution spatiale : les échos reçus, d'où sont déduits la vitesse du vent et d'autres informations, proviennent d'un domaine cylindrique d'environ 300 mètres de long et 175 mètres de diamètre le long du faisceau du radar ; aussi le radar Doppler permet-il de rassembler des renseignements sur le flux d'air dans les orages à tornades mais ne peut pratiquement pas fournir de données sur le cœur des très grandes tornades.

Au Laboratoire d'étude des orages violents, Dusan Zmic et ses collaborateurs ont mis au point des techniques spéciales de traitement du signal Doppler afin d'obtenir des données sur la vitesse du vent dans les tornades géantes. Un violent cyclone de ce type - le diamètre maximal du tuba était supérieur à 1.600 mètres - a touché Binger, dans l'Oklahoma, le 22 mai 1981. Les mesures radar ont montré que le tuba s'étendait jusqu'au sommet de l'orage générateur, à une altitude de 12 kilomètres, qu'il s'était formé en altitude et semblait contenir un courant central descendant (comme dans le cas d'une tornade violente à vortex multiples). La vitesse du vent était d'environ 320 kilomètres à l'heure.

L’effet Doppler est à l’œuvre dans de nombreuses technologies, comme par exemple le radar de vitesse, d’une redoutable efficacité. Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent leur fonctionnement au cours de cet épisode de Kézako. © Unisciel

Le lidar Doppler à infrarouge

Des groupes de recherche au Laboratoire d'étude des orages violents et au Centre national de la recherche atmosphérique à Boulder, au Colorado (États-Unis) tentent d'améliorer la résolution du radar Doppler pour pouvoir aussi étudier des tornades plus petites. En fait, le dispositif le plus approprié à la résolution des détails du mouvement central est le lidar Doppler à infrarouge, dont le faisceau est mieux collimaté (et dont la résolution est meilleure) car le rayonnement infrarouge est de plus courte longueur d'onde.

Ronald Schwiesow et ses collègues du Laboratoire d'étude de la propagation des ondes ont testé un lidar portable sur des trombes marines, ce qui a permis de mesurer avec succès les vents dans le cœur de la trombe, à différentes altitudes et à différentes distances du centre. Bien qu'actuellement on ne cherche pas très activement à étendre ce travail aux tornades, le principe est très prometteur pour l'avenir.

Prévoir les tornades

Prévoir les tornades est encore plus ardu qu'en comprendre la dynamique, mais l'application des méthodes Doppler incite à l'optimisme. C'est en partie parce que le radar Doppler permet de détecter si bien les mésocyclones que le service météorologique américain comptait installer des dispositifs Doppler dans un grand nombre de stations météorologiques au début des années 1990. À l'aide des renseignements recueillis par les ballons et les satellites, les météorologistes peuvent déjà, six à huit heures à l'avance, localiser avec un certain succès les régions « sensibles » où l'imminence d'une importante activité orageuse et la possibilité de formation d'une tornade sont à craindre. Les nouveaux radars aideront les météorologistes à sélectionner quels orages peuvent engendrer des tornades parmi tous ceux qui se développent dans une région sensible. Il sera alors possible de prévoir plus sûrement et avec moins de fausses alertes une tornade locale.

Ces renseignements ne seront cependant donnés, dans le meilleur des cas, qu'une demi-heure à une heure avant l'irruption du cyclone. Les tornades sont des phénomènes trop localisés et leur formation ainsi que leur comportement dépendent de trop de facteurs ; elles resteront donc vraisemblablement, dans une large mesure, imprévisibles. Les progrès récents des théories météorologiques et des techniques d'observation suggèrent néanmoins qu'il n'y a aucune raison pour que leur comportement demeure énigmatique.