Supercellules , tornades

Supercellules :

Quelles sont les différences entre une supercellule et un orage ordinaire ?

De nombreuses observations menées depuis la guerre sur les orages à tornades ont conduit dans les années 60 le météorologue anglais Keith Browning à établir que les tornades naissent dans un type d’orage particulièrement violent qu’il nomma  « supercellules ».

Dans un orage ordinaire ce sont plusieurs courants ascendants et descendants qui interagissent entre eux qui sont à l’origine de l’orage (parfois même d’une ligne d’orage encore appelé « ligne de grain »), alors qu’ici c’est seulement un (éventuellement deux) puissant(s) courant ascendant et son courant descendant associé qui interviennent. Il n’y a donc généralement qu’un seul nuage où est concentré toute la puissance de l’orage ce type de structure et à la fois « intense », car elle emmagasine beaucoup d’énergie et stable car il n’y a pas d’interactions avec d’autres orages ; de plus la puissance du courant ascendant empêche tout « remplissage » de la dépression par le haut. Une « montée en puissance » accompagnée de l’apparition de tornades est ainsi favorisée.

Une supercellule est ainsi bien plus puissante qu’un orage ordinaire est a fortiori que ces orages qui éclatent l’été en fin d’après-midi et que l’on appelle parfois « orages isolés » (alors que les supercellules sont des structures isolées !

 Schéma d’une supercellule

Formations Tornades :

Naissance de la tornade

Le mésocylone

 Formation d’un vortex et basculement

Le vortex ne se forme qu’en présence d’un cisaillement de vent : le vent change de sens et d’intensité avec l’altitude. Dans le cas des tornades, la vitesse augmente avec l’altitude et la direction sud-est passe à l’Ouest en altitude. Ces deux cisaillements conjugués s’exerçant sur une masse d’air initialement stable exercent un couple sur cette masse d’air la mettant ainsi en rotation. Lorsque ce vortex horizontal entre en contact avec un fort courant ascendant, ce dernier « soulève » le vortex et lui donne un axe de rotation vertical. Le vortex tourne ainsi dans le sens contraire des aiguilles d’une montre.

Le cisaillement en vitesse induit une rotation autour de l’axe horizontal. Le cisaillement en direction entraîne quant à lui une rotation suivant un axe vertical dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Ces deux effets conjugués entraînent donc la formation d’une colonne ascendante tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre : au début cette colonne à un diamètre situé entre 10 et 20 km et la vitesse des vents est de l’ordre de 70 km/h : c’est ce phénomène qui est appelé mésocyclone.

 L’effet de « tube dynamique »

Le mésocylone apparaît dans un premier temps à une altitude située entre 4 et 8 km d’altitude. Le mouvement de rotation tend à se rapprocher du sol par un effet de tube dynamique.

En effet, l’air de la colonne est en équilibre et est soumis :

•  d’une part à la force de pression due à la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur de la colonne

•  d’autre part la force de centrifuge directement liée au mouvement de rotation.

Cet équilibre empêche l’air d’entrer à l’intérieur de la colonne aux altitudes moyennes. Par conséquent l’air ne peut entrer que par la base de la colonne. Cela crée une sorte d’aspiration par le bas qui renforce les courants ascendants. Ce courant se met lui aussi en rotation à l’intérieur même de la colonne : par conséquent ces masses d’air sont plus proches de l’axe de rotation. Or par conservation du moment cinétique (s = m.v.d où m est la masse d’air, v la vitesse et d la distance à l’axe), comme d diminue, v augmente. Il en résulte une nouvelle intensification du courant ascendant. Ce phénomène se poursuit ainsi de sorte que le tourbillon se rapproche de plus en plus du sol et que son diamètre descende entre 2 et 6 km.

A ce moment le mésocyclone occupe toute la hauteur de l’orage (sans toutefois atteindre le sol) et il génère des vents de surface (dus à l’aspiration) à plus de 100 km/h. Cependant, ce phénomène ne provoque pas à lui seul des vents très violents.

La tornade elle-même

 Un nouveau tourbillon

Pour des raisons encore mal connues, une nouvelle zone de convergence apparaît à l’intérieur du mésocyclone généralement au sud-ouest de celui-ci et à proximité d’un courant descendant. L’hypothèse la plus vraisemblable est qu’au voisinage du sol, les frottements avec le sol entraînent une diminution de la vitesse et donc de la force centrifuge. Il en résulte un déséquilibre avec les forces de pressions qui tendent à pousser les masses d’air vers le centre de la colonne. La conservation du moment cinétique entraîne une augmentation de la vitesse dans cette zone et donc la formation d’un nouveau tourbillon.

Cette zone de convergence donne naissance à un nouveau tourbillon dont le diamètre est de l’ordre du kilomètre. Avec un si petit diamètre, par conservation du moment cinétique, on obtient des vitesses bien plus élevées. Cela permet au tourbillon de se rapprocher à quelques mètres du sol jusqu'à ce que les frottements n’empêchent l’établissement d’une rotation au niveau du sol.

 Apparition de la tornade

L’approche du sol par le nouveau vortex se traduit par une baisse de la pression qui augmente encore la puissance des vents. Si les vents sont suffisamment violents, on peut avoir l’apparition d’une tornade qui peut atteindre le sol.

Généralement, un orage à tornades dure plusieurs heures du fait de stabilité mais ne génère qu’une seule tornade dont la durée de vie n’excède généralement pas quelques minutes. La tornade présente pour un observateur un certain nombre de caractéristiques représentées sur le schéma page 6 :

•  En haut le Cumulonimbus responsable de l’orage

•  Plus bas le « mur » qui est un rabaissement de la base du nuage dû à des courants descendants froids et humides

•  Le tuba en forme d’entonnoir et de couleur gris foncé qui est en fait une partie du nuage descendant vers le sol (il peut même l’atteindre pour les tornades les plus violentes) qui se forme de la même manière que le mur

•  Les débris soulevés au sol dont le nombre varie selon la puissance de la tornade

Caractéristiques des tornades

Echelles de puissance

Echelle F0 à F5

L’intensité des tornades, et l’importance des dommages qu’elles provoquent peuvent être quantifiés par la force du vent au niveau de la surface. T.T.Fujita a ainsi défini, en 1981, l’échelle F regroupant les tornades en six classes de puissance croissante. Bien sûr, comme toute classification appliquée à un phénomène naturel, celle-ci comporte une part arbitraire. Elle permet cependant d’estimer l’énergie mise en jeu à l’aide de critères relativement simples à observer.

Autres caractéristiques

Une tornade peut prendre des formes très diverses, mais en général elles ne mesurent que quelques mètres à un kilomètre de diamètre pour les « F5 ». Si l’orage en lui-même engendre des vents avoisinant les 120 km/h, la tornade peut provoquer des vents approchant les 400 voire 500 km/h : on aurait observé le 3 mai dernier dans l’Oklahoma des vents à 509 km/h, ce qui est la plus grandes vitesse jamais observée. Ces vitesses, quoiqu’impressionnantes restent cependant inférieures aux 800 km/h avancés il y a une trentaine d’années pour expliquer certains dommages causés par les tornades les plus violentes. Il est à noter que les vents les plus violents se produisent sur l’axe de rotation et dans les 300 premiers mètres d’altitude pour les tornades faibles (F0 à F2), puis à cause de la force centrifuge sur un anneau longeant l’axe de rotation pour les tornades plus fortes. Enfin, les tornades les plus violentes possèdent généralement des courants descendant dans leur centre ainsi qu’une absence de condensation (« œil du tuba »).