L’étude des tornades

Jusqu’aux années 1970

Pas d’études précises

L’étude des tornades se résume à cette époque à des observations au sol. On se contente d’évaluer par exemple la vitesse des vents en se basant sur les dégâts causés par les tornades : on pensait ainsi dans les années 1960 que les vents au centre des tornades pouvaient atteindre des vitesses de l’ordre de 800 Km/h pour les tornades les plus violentes.

La raison de ce manque d’informations est simple : les conditions à l’intérieur des tornades sont telles qu’aucun appareil de mesure de leur résiste !  Les tornades sont donc resté un phénomène quasi inconnu jusqu’aux alentours de 1950.

Les premières études sérieuses

Nécessité de comprendre le phénomène

Il est apparu dans les années 1950 nécessaire de mieux connaître les tornades, car elles demeuraient relativement imprévisibles et étaient responsables de la mort de centaines de personnes par an. D’ou la nécessité d’une étude précise en vue d’une meilleure prévention contre les tornades.

Une meilleure connaissance de la structure des tornades peut ainsi indiquer aux ingénieurs comment ils doivent construire les maisons de façon à ce qu’elles résistent mieux aux vents causés par les tornades. Une meilleure connaissance du mécanisme de formation des tornades permettrait de prévoir la formation des tornades avec une avance suffisante pour évacuer les populations des zones menacées.

Les premières études

Les premières études sérieuses remontent à l’après-guerre : en 1949 on a découvert l’existence des mésocylones précédent la formation des tornades. Dans les années 1950 des observations essentiellement basées sur les films ou des photographies ont permis de mieux comprendre le phénomène de mésocylone. Puis, le concept de supercellule fut pour la première fois évoqué dans les années 1960. Cependant ces études restent relativement approximatives et les tornades restent très mal connues jusqu’aux années 1970.

Le radar Doppler

Principe de fonctionnement et avantages

Description

Le radar Doppler utilise comme son nom l’indique le phénomène que l’on nomme « effet Doppler ». Ce phénomène est illustré par exemple par le passage devant une personne d’une ambulance (où n’importe quel objet se déplaçant relativement vite) : on entend d’abord la sirène avec un son plus aigu que la normale lorsque l’ambulance se rapproche : en effet les ondes sonores et l’ambulance se déplaçant dans le même sens, les ondes sonores se déplacent plus lentement par rapport à leur source d’émission ce qui diminue leur longueur d’onde et augmente leur fréquence pour un observateur fixe. A l’inverse, dès que l’ambulance s’éloigne, le son devient plus grave, car l’ambulance et les ondes sonores se déplacent en sens inverse.

Les radars Doppler émettent des ondes qui se réfléchissent les l’objet à étudier (ici les gouttes de pluies constituant la tornade. Pour déterminer la vitesse de ces gouttes par rapport au référentiel lié au radar on compare la longueur d’onde du signal émis à la longueur d’onde du signal réfléchi. Ainsi, la projection de la vitesse du vent sur la ligne de visée est proportionnelle à la différence de fréquence.

Exemple

Dans la réalité les observations son beaucoup plus complexes car les vents dans une tornade ne sont pas constant. De plus il faut tenir compte des erreurs dues au fait que tout les échos reçus par le radar de proviennent pas de son axe de visée. On obtient dans la réalité des images comme celle page 11 où l’on voit une zone d’orages dans la région de Montréal. Les zones apparaissant en blanc sont celles ou les vents sont relativement faibles, les zones en vert ont des vents modérés, et les zones en rose on des vents fort (ici environ 120 Km/h). On distingue nettement au centre de l’image une ligne d’orages suivie d’une autre moins bien organisée au Nord Ouest.

Pour ce qui est des tornades elles-mêmes, le Doppler n’a pas une résolution suffisante, il permet néanmoins de se faire une idée assez précise du phénomène.

Les deux images ci-contre proviennent d’une même tornade. L’image du haut sert a montrer la « réflexivité » i.e. l’intensité des précipitations. La deuxième est la plus intéressante car elle donne la vitesse algébrique des vents. On y voit clairement le mouvement de rotation de la tornade au centre de l’image avec le brutal changement de couleur sur la normale à l’axe de visée.

 Avantages

Les radars Doppler présentent un avantage essentiel par rapport aux mesures directes : ils permettent en effet d’observer les phénomènes à distance, ce qui évite de faire prendre aux équipes de scientifiques des risques insensés. Les radars Doppler apparaissent donc comme un moyen bien plus précis que les observations visuelles qui étaient toujours aléatoires. Il est en outre possible en utilisant plusieurs radars d’avoir une répartition des vitesses dans l’espace (3 radars sont nécessaires).

Les progrès effectués grâce au Doppler

Meilleure compréhension du mécanisme de formation

Les premières mesures ont été effectuées en 1971 et ont permit de mieux appréhender la formation du mésocyclone : les mesures ont ainsi montré une structure « en crochet » et des vents à environ 80 Km/h qui apparaissent à une altitude d’environ 5.000 mètres avant de progresser en direction du sol. C’est à l’aide d’observation de ce type qu’on a pu comprendre tout le mécanisme qui est à l’origine de la formation du tourbillon : en effet sans radar l’observation des mésocylones était quasiment impossible, car ces derniers n’atteignent jamais le sol et que les vitesses des vents sont relativement faibles.

En 1973 on a pu entrevoir la formation d’une tornade en observant l’apparition d’un deuxième tourbillon à environ 300 mètres d’altitude et s’élevant jusqu'au sommet de l’orage. Un tel tourbillon apparaît environ 20 minutes avant le début de la tornade : l’observation de ce type de phénomènes permet ainsi de déclencher l’alerte pour les populations. On déclenche parfois l’alerte dès l'observation du mésocylone afin de se donner plus de temps.

Dans cette optique, les météorologues américains installent sur les régions à risque un réseau de radars permettant ainsi de repérer à tout instant et à n’importe quel endroit une tornade en formation. L’implantation de nombreux radars permet de suivre une même tornade avec trois radars ce qui permet en résolvant les systèmes des équations relatives à chaque radar (ce qui se fait avec des moyens informatiques...) de reconstituer la position de la tornade dans l’espace.

Parallèlement, des « chasseurs de tornades » sillonnent les Etats-Unis à la recherche d’orages à tornades en emportant avec eux un nombre important d’instrument de mesures (dont les radars Doppler) permettant des observations plus directes et donc plus précises.

Les limites du radar Doppler

La principale limite du radar Doppler est son relatif manque de précision. En effet la résolution d’un radar Doppler est de l’ordre de quelques centaines de mètres, c’est-à-dire du même ordre que le diamètre d’une tornade, ce qui rend l’observation des tornades elles-mêmes assez délicates.

On tente donc d’améliorer la résolution des radars en utilisant notamment le lidar Doppler : ce dernier utilise un rayon infrarouge de longueur d’onde voisine du µm ce qui augmente d’autant la résolution. La précision des radars reste néanmoins insuffisante pour étudier en détail le cœur des tornades.

Les modèles informatiques

Historique

Fin des années 70 : les premiers modèles

Les premier modèles réalistes apparaissent en 1978 grâce à Robert Wilhelmson et Joseph Klemp. Ce modèle relativement simple pour s’adapter aux « performances » des ordinateurs de l’époque » part d’un état initial de l’atmosphère homogène, ce qui prouve que les tornades ne se forment pas nécessairement sur un front et néglige le mouvement de la terre : ainsi ce n’est pas la force de Coriolis liée à la rotation de la terre qui détermine le sens de rotation de la tornade (comme c’est le cas pour les dépressions en général), mais le cisaillement de vents. Ainsi, on peut voir des tornades qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère Nord alors qu’en théorie elles devraient tourner dans le sens trigonométrique.

L’ordinateur calcule ensuite les gradients de température, de vitesse du vent et de changement d’état de l’eau sur un réseau tridimensionnel de points à des instants successifs, permettant de reconstituer le cycle de vie d’une tornade.

 Aujourd’hui : des modèles de plus en plus sophistiqués

Les modèles plus modernes profitent de la meilleure connaissance du phénomène météorologique ainsi que de la plus grande puissance des ordinateurs. Cela permet de tenir compte d’un plus grand nombre de phénomènes comme le mouvement de la terre, la non-homogénéité des masses d’air, les interactions entre plusieurs cellules... ou bien encore augmenter la résolution du réseau de points (parfois jusqu'à quelques dizaines de mètres dans les points où règnent les vents les plus violents, donnant ainsi une précision bien plus grande que les radars Doppler.

Les recherches actuelles

Les avantages des modèles numériques

Les modèles numériques ont un avantage de taille : c’est l’ordinateur qui se charge de tous les calculs... Les modèles informatiques ont permis de prouver certaines théories suggérées dès les années 1960 (notamment celle du basculement et du mécanisme de formation du mésocyclone en général) ainsi que de montrer des théories totalement insoupçonnées auparavant : ainsi, alors qu’on pensait que les tornades se forment dans la partie sud du mésocylone, il est apparu au contraire que le tourbillon commence à se former dans la partie Nord légèrement refroidie par la pluie. Cette zone se trouve prise en sandwich entre l’air chaud ascendant et l’air froid descendant ; ces deux masses d’air exercent sur la zone intermédiaire un couple qui engendre le mouvement de rotation. Le mouvement de rotation de la supercellule a ensuite tendance à déplacer la colonne vers le sud du mésocylone.

Nécessité d’une expérimentation en laboratoire

Parallèlement aux modèles informatiques sont menées des simulations réelles en laboratoire où l’on recrée artificiellement des tornades miniatures pour tenter de mieux cerner les mécanismes de formation des tornades. Ces études ont montré notamment que le facteur le puis important dans la formation où non des tornades est ce que l’on nomme le « rapport de rotation » i.e. le quotient de la vitesse des vents tangentielle au bord de la colonne par la vitesse verticale de l’air ascendant. Si le rapport est inférieur à 0,1, il n’y a pas de tornade. Si le rapport dépasse 0,1 une petite tornade apparaît. A 0,45, le tourbillon devient turbulent (on entre dans la zone des tornades fortes). Aux alentours de 1, on obtient des vortex multiples (jusqu'à 6 si on augmente encore le rapport). Cette étude montre que dans une tornade violente la vitesse des vents augmente plus vite que la puissance du courent ascendant. Ces expériences confirment également les caractéristiques des vortex en fonction notamment de la violence des tornades.

Encore de nombreuses inconnues

Il reste cependant malgré tous les moyens dont on dispose actuellement de nombreux progrès à faire, et ce notamment dans deux domaines.
            Premièrement, si les mécanismes de formation du mésocylone sont parfaitement connus, le mécanisme de formation de la tornade elle-même repose essentiellement sur les suppositions plus ou moins hasardeuses, et encore ces mécanismes sont surtout valables pour les tornades fortes (les F4 et F5 qui ne représentent respectivement que 5 et 1% du nombre total des tornades !). Il arrive ainsi que des tornades faibles se forment sur une ligne de grains (ce que l’on appelle parfois « mini-tornades » et qui se rencontre régulièrement en France) ; c’est alors le courant d’air refroidit par la pluie qui est responsable de la tornade. De plus la résolution des radars Doppler comme des modèles informatiques (qui se basent pour beaucoup sur des idées empiriques) restent relativement insuffisantes pour étudier en détail le cœur des tornades : personne ne sait exactement (même si aujourd’hui on possède des mesures relativement fiables) par exemple à quelle vitesse soufflent les vents ce qui serait utile pour concevoir notamment des structures capables de résister aux tornades.

Le deuxième point restant à améliorer découle directement du premier : il s’agit de prévoir les tornades à plus long terme. Aujourd'hui, on ne peut prévoir une tornade avec précision que quelques dizaines de minutes à l’avance, ce qui est bien insuffisant pour évacuer les populations des zones menacées. Tout au plus peut ont prévoir, grâce aux réseaux de radars Doppler décelant la formation de mésocylones des risques de tornades quelques heures à l’avance, mais cette prévision demeure relativement aléatoire. Une meilleure connaissance du mécanisme de formation permettrait à partir d’une situation initiale donnée de faire une projection relativement fiable de l’avenir afin d’améliorer la qualité des prévisions.