Etrange nuage en cône inversé à Limoges

Formation d'une tornade

Les conditions

Les tornades proviennent quelquefois d'orages isolés, mais le plus fréquemment, elles résultent d'orages supercellulaires associés à des fronts froids ou des lignes de grains.

Cependant, pour qu'une tornade se développe, il faut que l'air soit excessivement instable. Cela est rendu possible par :

-le réchauffement de l'air près de la surface grâce à l'action du rayonnement solaire et par un apport d'air chaud et humide
-le refroidissement de l'air en altitude provoqué par un apport d'air

Il est nécessaire qu'une couche d'air relativement froid surmonte une couche d'air relativement chaud et humide.

Dans ces conditions, il suffit d'une poussée vers le haut pour que se développent de violents orages qui peuvent dégénérer en tornades. Les orages les plus violents attirent l'air vers la base de leur nuage avec une grande force. Si l'arrivée d'air a un mouvement rotatif initial, il y aura souvent formation d'un tourbillon extrêmement concentré, se dirigeant de la surface vers l'intérieur du nuage.

La vitesse du vent à l'intérieur d'un tel tourbillon peut excéder 375 km/h. En conséquence, la pression à l'intérieur du tourbillon est très basse. Les vents violents ramassent poussières et débris, et, sous l'effet de cette basse pression, un nuage en forme d'entonnoir se crée, de la base du cumulonimbus jusqu'au sol. Si le nuage n'atteint pas la surface, on a un entonnoir nuageux. L'entonnoir nuageux qui touche le sol est une tornade.

La formation

D'après les modèles usuels, la naissance d'une tornade à partir d'un violent orage se fait en deux étapes :

1) Le courant ascendant de l'orage se met d'abord à tourner. Le basculement de l'axe de rotation semble être le mécanisme principal intervenant à ce stade. La colonne d'air ascendante et en rotation, qui a un diamètre de 10 à 20 kilomètres, constitue le mésocyclone (si, par la suite, il engendre une tornade, ce qui n'est généralement pas le cas, on l'appellera un vortex tornadique). Les observations par radar Doppler ont montré que le mouvement de rotation commence dans la troposphère moyenne, à des altitudes comprises entre quatre et huit kilomètres.

2) Ce courant tournant se propage ensuite vers le sol par un effet de « tube dynamique ». Le long de la colonne en rotation, le champ de pression est en équilibre avec le champ de vents où la circulation est fortement incurvée. En effet, la force dirigée vers l'intérieur, qui s'exerce sur l'air du fait de la faible pression qui règne au centre de la colonne, est équilibrée la rotation de l'air autour du centre de la colonne.

Dans ces conditions d'équilibre cyclonique, l'air circule facilement, autour et le long de l'axe du cyclone, mais il ne peut pratiquement pas s'en éloigner ou s'en approcher. Alors qu'auparavant une partie de l'air entrait dans la colonne ascendante à l'altitude des couches moyennes, maintenant la presque totalité de l'air s'engouffre à la base du tuba. Le cyclone se comporte comme un tube dynamique. Tout se passe comme dans le tuyau d'un aspirateur, hormis le fait que l'air n'est pas canalisé par les parois d'un tuyau mais par son propre mouvement tourbillonnaire. Il en résulte une intensification du courant ascendant et, par conséquent, un renforcement des vents qui convergent sous le cyclone. Du fait du cisaillement de la direction du vent, l'air qui s'engouffre dans le courant ascendant s'élève en tournant autour du centre de la colonne.

Le vortex

Le vortex a généralement (mais pas toujours) la forme d'un nuage en entonnoir (le tuba) qui s'étend parfois jusqu'à terre. Ce tuba ne se forme que si la chute de pression dans le cœur dépasse une valeur critique, qui est fonction de la température et de l'humidité relative de l'air entrant.

Quand l'air pénètre dans la zone de basse pression, il se dilate et se refroidit. S'il se refroidit suffisamment, la vapeur d'eau qu'il contient se condense en gouttelettes. Plus l'air entrant est chaud et sec, plus la chute de pression doit être grande pour que la condensation puisse avoir lieu et que le tuba se forme. Parfois le tuba de condensation ne se constitue pas et l'on ne devine la présence de la tornade que par la poussière et les débris qu'elle emporte.

Le tuba mesure de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres de long et, au point de contact avec le nuage générateur, son diamètre est compris entre quelques mètres et quelques centaines de mètres. Généralement il a une forme conique, mais les tornades très fortes engendrent des colonnes cylindriques courtes et larges. On distingue aussi, assez souvent, de longs tubes qui ressemblent à des cordes et qui serpentent horizontalement.

Au cours de la brève existence d'une tornade (jamais plus de quelques heures), la taille et la forme du tuba peuvent beaucoup changer et refléter les variations d'intensité des vents ou des propriétés de l'air entrant. La couleur du tuba varie du blanc sale au gris et même au gris bleu foncé lorsqu'il est constitué principalement de gouttelettes d'eau ; quand le cœur se remplit de poussière, le tuba prend une teinte originale, comme par exemple la couleur rouge de l'argile de certaines régions. Les tornades peuvent aussi être bruyantes, tel un rugissement parfois. Ce rugissement résulte de l'interaction turbulente des vents violents avec le sol.