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Le mécanisme de la formation des tornades

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4) La formation de la tornade :

 

La tornade prend naissance à la base du Cumulonimbus car la surface y est plus grande et plus la surface d’un Cumulonimbus est grande, plus le conflit entre l’air chaud et l’air froid prend de l’ampleur. Ce conflit pourra donc aller jusqu’à former de véritables tourbillons à l’intérieur du nuage.

  • Le rôle de la poussée d’Archimède :

Le courant ascendant est chaud du fait de l’énergie dégagée par le soleil. A l’inverse, l’air en altitude est froid. Cette différence de température entraine un mouvement de rotation.

De plus, les 2 masses d’air de température différente ne se mélangent jamais, ainsi l’air chaud s’engouffre de plus en plus rapidement au centre du mouvement tourbillonnant. Cette situation engendre des vents très violents et une puissante force d'aspiration.

La poussée d’Archimède est une force qui s’exerce sur un objet immergé dans un fluide. Dans notre cas au niveau des tornades, l’objet est le courant d’air chaud et le fluide est l’air ambiant. L’air ambiant repousse donc le courant d’air chaud en altitude.

La poussée d’Archimède est définie par la relation suivante : 


Pa = ρ. V.g

Pa : la poussée d’Archimède en Newton

ρ : la masse volumique du fluide en kg/m3 ; par conséquent ρ = m/V

g: l’intensité de la pesanteur sur Terre ; avec g= 9.81N/Kg

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Le courant d’air chaud monte donc par l’intermédiaire de la poussée d’Archimède et aura tendance à se refroidir avec l’altitude. Un mouvement continu se crée alors. Ces mouvements répétitifs aideront simplement à la formation d’un tourbillon autour d’un axe vertical, le vortex.

Pour qu’un tourbillon se forme, il est nécessaire qu’un vent d’intensité croissante avec l’altitude souffle sur l’orage supercellulaire. Si le vent est plus intense au sommet, l’air à la base sera de faible amplitude.

 Ce vent va donc faire tourner l’air  àùen créant un tourbillon horizontal.

 Afin de comprendre ce mécanisme, il est possible de comparer un moulin à vent à un cumulonimbus.

Pour que les ailes d’un moulin tournent, il faut que le vent fournisse une certaine puissance. Si le vent est plus fort en altitude, les ailes du moulin tourneront dans le sens des aiguilles d’une montre et inversement. Si cette force était la même, les ailes du moulin ne tourneraient tout simplement pas. D’où l’importance d’avoir une variation de la vitesse du vent avec l’altitude. Les scientifiques appellent ce phénomène le cisaillement des vents.

 

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C’est ici que la poussée d’Archimède entre en jeu. En effet, le courant ascendant chaud soulèvera le tourbillon horizontal qui a été crée par le cisaillement des vents et se transformera ainsi en tourbillon « vertical ». On le nommera mésocyclone.

La rotation dans le mésocyclone est cependant encore trop diffuse et trop éloignée du sol pour engendrer des vents de surface très violents.

  • Mésocyclone : un mésocyclone est une zone de rotation plus ou moins verticale dans un orage. Cette zone de rotation a un diamètre compris entre 1 et 15 km et est souvent associée avec une zone de pression plus basse dans le nuage.

Un mésocyclone n'est pas une tornade. Le resserrement de sa rotation, par des conditions particulières de circulation des vents autour de l'orage, peut cependant mener à la formation d'une tornade sous l'orage.

 

La formation du mésocyclone

 

  • Apparition du tuba :

Les tourbillons prennent de l’ampleur du fait du fort contraste entre les deux masses d’air. Le cône nuageux se forme rapidement à partir de gouttelettes d'eau en suspension dans les cumulo-nimbus.

 

  • L’étirement

Le courant tournant se propage ensuite vers le sol par un effet de « tube dynamique ». Tout se passe comme dans le tuyau d'un aspirateur, hormis le fait que l'air ne soit pas canalisé par les parois d'un tuyau mais par son propre mouvement tourbillonnaire.

Le gradient de pression qui s’exerce entre le cœur de la tornade et l’atmosphère extérieur aspire l’air, par le bas, à l’intérieur de celle-ci.  Le vortex, le mouvement tourbillonnaire, va alors se rétrécir en se comprimant et ainsi s’étirer vers le haut.

 

 

L'air s’engouffrant dans le courant ascendant s'élève alors en tournant autour du centre de la colonne de plus en plus vite au fur et à mesure de son approche du centre de celle-ci.

D'après une loi fondamentale de la physique, « le moment cinétique » d'une masse d'air par rapport à son axe de rotation vertical est conservé.

La notion de « conservation du moment cinétique » veut dire qu'un corps au repos ne peut être mis en rotation à la seule condition qu’une impulsion lui soit donnée grâce à des forces extérieures.

Cela signifie aussi que, si un système est en rotation, toute diminution de son rayon par une concentration doit être alors compensée par une augmentation de sa vitesse de rotation.

Pour exprimer cela de manière simple, on peut prendre l’exemple d’une patineuse : la danseuse tourne plus vite lorsqu’elle  ramène les bras le long du corps. Il se passe la même chose pour une tornade.

Comme à la base du tube dynamique, la vitesse de rotation augmente, cela provoque un allongement du tube vers le bas par propagation du mouvement tourbillonnaire. Les masses d'air qui entrent à la base du tube tournent et montent en gagnant de la vitesse. Elles sont ainsi étirées verticalement.

D'après le principe de Daniel Bernoulli (physicien Suisse 1700-1782) élaboré en 1738, plus les mouvements verticaux sont forts (entre la Terre et les nuages, et surtout à l'intérieur du nuage), plus la pression diminue ; et plus la pression diminue, plus l'air finit par s'écouler vers la base du nuage ainsi que vers le sol.

Et c’est ainsi que nous en arrivons à la création de notre fabuleux phénomène météorologique qu’est la tornade !

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http://www.futura-sciences.com/comprendre/d/images/573/cyclone_12.jpg

 

 

 

Vidéo simulant la formation d'une tornade.

 

La formation d’une tornade résulte donc  de nombreux facteurs, qui auront un impact sur sa forme, son intensité et sa durée de vie, en fonction de leur puissance : orage supercellulaire plus ou moins puissant, mésocyclone ayant une rotation plus ou moins rapide, atmosphère plus ou moins instable, composition du sol, humidité, chaleur...

Cette partie nous aura démontré la complexité du mécanisme de formation de la tornade, d’où sa connaissance scientifique qui n'est encore que partielle.

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