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Le mécanisme de la formation des tornades

 

 

2) La formation de l’orage, base de la tornade :

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Orage : un orage, de l'ancien français "ore" qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus seul nuage capable d’engendrer une tornade.

 

  • Le cumulonimbus : nuage générateur d’orage :

Les cumulonimbus sont des nuages constitués par des gouttelettes d'eau et, principalement dans leurs régions supérieures, par des cristaux de glace. Ils contiennent également de grosses gouttes de pluie, des cristaux et flocons de neige, de la neige roulée, du grési ou de la grêle. Ce sont des nuages denses et massifs, généralement puissants avec une extension verticale souvent considérable. En forme de montagne ou d'énormes tours, ils présentent un contraste de luminosité saisissant. Notamment entre leur base très sombre et leur partie éclairée par le soleil, d'un blanc éblouissant. Leurs sommets ont toujours un aspect fibreux et s'étalent souvent en forme d'enclume. Ils dépassent parfois la tropause (nom donné à la limite entre la troposphère et la stratosphère); ils peuvent donc culminer à des altitudes allant de 8000m à 15000m. Sa base se situe en général de quelques centaines de mètres à 2000 mètres du sol.

C'est le type de nuage qui donne les orages. Si la durée moyenne de vie d'un cumulonimbus modéré générateur d'averses est d'une vingtaine de minutes, celle d'un cumulonimbus orageux est de l'ordre d’une ou deux heures. L'évolution de ce type de nuage peut être décrite en 3 étapes : le développement, la maturité et la dissipation. En fonction de son développement, il peut être le siège de manifestations électriques comme la foudre, de chute de grêle, de pluie, de fortes précipitations et dans les cas les plus extrême, de tornades.

 

La formation d’un orage est décrite en plusieurs étapes. Les tornades se produisent aux stades les plus intenses de l'évolution des orages.

 

  • Formation du cumulonimbus :

La formation du cumulonimbus est dûe à l'ascension d'air chaud en provenance du sol.

Au cours de l'ascension, la température diminue, en effet en s'élèvent l'air se refroidit ce qui entraîne la condensation de la vapeur d'eau : il en résulte la formation d'un nuage. Au-dessous de 0°, les gouttes d'eau gèlent et se transforment en grêlons. Les nuages orageux contiennent plusieurs centaines de milliers de tonnes d'eau. Le mouvement d'ascension se heurte à la stratosphère, à 15000m d'altitude. Le nuage « s'écrase » alors à son sommet ce qui lui donne sa forme d'enclume.

 

Sur le front de la rencontre l'air froid entame un mouvement descendant tandis que l'air chaud commence son ascension.

 

 

  • Les différents orages :

 

Un orage est l’un des phénomènes atmosphériques les plus violents.

L’instabilité atmosphérique qui règne au sein de l’orage est dans la majorité des cas le résultat d’une humidité relativement élevée dans les bas niveaux, d’un air plus sec en altitude et d’un facteur important de soulèvement comme un front froid.

On classifie les orages de masses d’air selon leur processus de formation. Il y a les orages orographiques, les orages par réchauffement diurne de l'air humide et instable et enfin les orages frontaux.

Les orages frontaux sont les plus destructeurs et à l’origine des tornades. Nous nous attarderons donc uniquement sur ceux-ci.

 

  • Les orages frontaux :

Les orages frontaux se créent par la rencontre de deux masses d’airs de température différente. La ligne de rencontre entre ces deux masses d'air s'appelle le front. Deux catégories de fronts sont facilement reconnaissables : les fronts chauds, et les fronts froids qui déclenchent nos tornades.

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Les orages frontaux  sont à l’origine des tornades. Ils se forment par le déplacement des masses d’air lié au vent, mais aussi grâce à la force de Coriolis.

 

 

  • Force de Coriolis :

On peut représenter la force de Coriolis  comme un produit vectoriel en utilisant la formule :

\vec{F_C} = -2m \Omega(t) (\vec{e}_{axe} \wedge \vec{v})

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 \qquad \qquad \begin{cases} m = masse\ du\ corps \\ \vec{e}_{axe} = vecteur\ unitaire\ parall\grave ele\   \grave a\ l'axe\ de\ rotation \\ \Omega(t) = vitesse\ angulaire\ instantan \acute{e}e\ de\ rotation \\  \vec{v} = vitesse\ du\ corps \end{cases}

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Diagramme qui montre comment les vents sont déviés pour donner une circulation anti-horaire dans l'hémisphère nord autour d'une dépression. La force de  gradient de pression est en bleu, celle de Coriolis en rouge et le déplacement en noir

La force de gradient de pression est en bleu, celle de Coriolis en rouge et le déplacement en noir.

 

La force de Coriolis est la force centrifuge dûe à la rotation terrestre. Elle s’exerce sur tous les objets en mouvement, y compris l’atmosphère et les océans. Dans l’hémisphère nord, les vents sont déviés vers la droite et vers la gauche dans l’hémisphère Sud.

Dans le mouvement des vents, entre les zones de hautes et basses pressions, un équilibre se crée. Il s’agit d’un équilibre entre la force de Coriolis et centrifuge, ainsi que la force qui les attire vers le " creux " de la dépression, soit la force de gradient de pression. Il en résulte alors un mouvement d’enroulement des vents autour de la zone de basse pression.

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  • Les orages de « front froid » :

Dans le cas de la formation d’une tornade, nous intéresserons d’avantage aux fronts froid :

Quand un front froid arrive sur une zone d'air chaud, l'air chaud, moins dense est soulevé par l'air froid. L’air froid pousse l'air chaud et le soulève avec une poussée plus violente comparée à l'élévation régulière de l'air dans un front chaud. C’est donc généralement dans ce genre de fronts (qui se déplacent à environ 40 km/h) que l'on retrouve les lignes orageuses de grande envergure formées de cumulonimbus, seule et unique forme de nuage capable de créer une tornade. Les fronts froids sont donc plus violents que les fronts chauds : les précipitations sont plus fortes et les vents très violents.

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  • Un orage caractérisé :

Les orages dits de « front froid » sont aussi caractérisés en deux catégories différentes : les orages multicellulaires et les orages supercellulaires.

Les orages multicellulaires sont formés de plusieurs cellules convectives* à différents stades de leur existence.

Les orages supercellulaires ne sont formés que d’une seule cellule convective de très grande taille, de très forte intensité et de très longue durée de vie.

Le diamètre d'un orage supercellulaire, à maturité, varie de 20 km à 50 km alors que celui des multicellulaires ne dépasse pas les 10 km. C’est donc un orage particulièrement favorable à la formation de tornades.

(* La cellule convective représente un élément constitutif des orages, formé d'un courant ascendant et d'un courant descendant.)

 

  • Les orages supercellulaires :

30% des orages supercellulaires  produisent des tornades dans le mésocyclone.

La supercellule est caractérisée par le fait qu'il s'agit d'un orage violent possédant un courant aérien ascendant tournant profondément dans la structure de l'orage et de façon persistante. La présence d'un mésocyclone bien formé est donc nécessaire pour définir un orage supercellulaire.

Les orages supercellulaires peuvent être de toute taille (La taille moyenne d'une supercellule typique étant de l'ordre de 30 à 60km). Habituellement ils produisent d'intenses chutes de grêles et de grêlons extrêmement volumineux, des précipitations torrentielles, des vents destructeurs et constants. Ils peuvent engendrer la création d’une tornade.

 

Une supercellule est généralement isolée et  indépendante des autres orages.

 

Plus la supercellule est isolée des autres orages, plus elle sera destructrice. Cela favorisera sa rotation et sa production de tornade, en raison d'une forte alimentation en air humide disponible autour de la supercellule. Et au contraire, s’il y a présence d’orages violents autour, l'alimentation en air instable sera réduite. On dit que les cellules convectives « sont en compétition entre elles ».

Les grosses tornades sont donc très souvent formées dans une supercellule isolée et distante des autres orages, la distance étant  proportionnelle à l'humidité disponible.

 

  • Différentes supercellules :

 

Il faut savoir qu'il y a plusieurs morphologies différentes de supercellule. En effet, c’est l’environnement atmosphérique qui donnera la spécificité à l’orage et non le lieu.

Les différentes supercellules sont :

  • La supercellule LT (Low Topped = basse hauteur)
  • La supercellule LP (Low Precipitation = sèche)
  • La supercellule Classique
  • La supercellule HP (Hight Precipitation = humide)

 

 

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