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Orages, tornades : comment se produisent ces phénomènes ?

Dossier - L'air et l'eau, deux fluides essentiels
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L’air et l’eau sont les deux fluides fondamentaux pour la vie. L’Homme en a un usage biologique quotidien, mais il en exploite aussi l’énergie. Cependant, il est bien difficile de prédire le comportement de l’environnement ! Découvrez les secrets de phénomènes météorologiques comme les orages, les tornades ou El Niño dans ce dossier.

  
DossiersL'air et l'eau, deux fluides essentiels
 

L'atmosphère, où l'eau se manifeste sous ses trois états possibles (gazeux, liquide et solide), peut être sujette à de violents caprices tels que l'orage, accompagné d'éclairs et de tonnerre, ou la tornade.

Avant d'évoquer les origines du phénomène orageux, on peut commencer par admirer un autre phénomène atmosphérique qui en signale l'accalmie, l'arc-en-ciel (voir photo ci-après).

Arc-en-ciel primaire et arc-en-ciel secondaire, photographiés par René Moreau à Grenoble au-dessus du parc Paul Mistral, le 5 avril 2012. Noter l’inversion de l’ordre des couleurs entre les deux arcs et la moindre netteté de l’arc secondaire. © René Moreau

Un caprice de l’atmosphère : l’eau rage

La plupart des orages se forment lorsqu'un nuage est soumis à un soulèvement qui le transporte à une altitude où la température est nettement plus basse. Le nuage aspire alors à sa base de l'air chaud et chargé d'humidité, s'organise en cellule convective avec en son sein de fortes différences de densité. Celles-ci amplifient considérablement l'agitation convective, ce qui permet au nuage d'atteindre de hautes altitudes où les basses températures favorisent la condensation de l'eau, la formation de grosses gouttes puis leur chute en averses abondantes. L'orage apparaît lorsque, dans ces nuages fortement agités entre la phase gazeuse légère et ascendante et la phase liquide constituée de gouttes beaucoup plus lourdes entraînées vers le sol par gravité, les frottements sont suffisants pour engendrer une ionisation de l'air accompagnée d'éclairs et de tonnerre (dans le nuage électriquement neutre, les charges électriques positives et négatives se séparent).

La différence de potentiel à l’origine de la foudre peut produire un plasma, ce qui cause une expansion explosive de l’air. L’éclair vu par un observateur résulte de la dissipation de ce plasma. © Philippe Dessante, cc by nc 2.0

L'évaporation de la pluie tombée sur le sol provoque son refroidissement progressif et celui des couches d'air voisines, réduisant ainsi la cause de l’orage : présence d'air chaud et humide dans un environnement plus froid. À moins qu'un apport d'air chaud et humide extérieur ne compense ce refroidissement local, la fin de l'orage est dès lors annoncée.

La tornade, une sorte de tuba géant

Lorsqu'une masse nuageuse assez lourde effectue une rotation suffisante, la cellule convective décrite précédemment peut évoluer en tornade, dont la structure se caractérise par un tube d'axe presque vertical tourbillonnant du nuage au sol ou à la mer, sans que cela affecte son caractère orageux. Ce tourbillon est appelé « tuba ». Des circonstances assez exceptionnelles sont nécessaires pour que, dans la partie basse de la cellule orageuse, une sorte de toupie se forme et descende au contact du sol, en concentrant très localement à la fois la rotation prélevée alentour et la charge en gouttes (voir figure ci-après). Ce phénomène est dévastateur.

Organisation interne d’une cellule orageuse raccordée au sol par une tornade. Même si les échelles ne sont pas rigoureusement respectées, noter la petite taille de la tornade (hachures grises) par rapport à celle des courants ascendant et tournant (couleur bleue et pâle). La longueur de la tornade peut être de 10 à 100 m, l’épaisseur totale de la masse nuageuse de 5.000 m. Le diamètre de la tornade peut être de 2 à 10 m, alors que celui du courant ascendant peut atteindre 100 m. © Grenoble Sciences

Capricieuses ou non, les dépressions atmosphériques amènent les précipitations dont la prédiction est assez sûre quelques jours à l'avance, mais très incertaine à des échéances d'une dizaine de jours.