Une tornade naît au pied d'un cumulo-nimbus, lorsque l'air chaud et humide s'élève du sol et traverse la masse d'air plus froid à la base du nuage.
Ce courant ascendant crée un frottement contre l'air froid, plus lourd, qui tend à descendre.
Mais les deux masses ne se mélangent pas.
Sous l'effet de la rotation de la Terre, elles se mettent à tourner en s'enroulant l'une autour de l'autre.
Un cône apparaît alors à la base du nuage, puis se prolonge jusqu'à terre pour former la trompe, au sein de laquelle des vents tourbillonnants très violent créent une puissante aspiration.
Les météorologues n'ont pas encore élucidé les mécanismes précis de la formation des tornades.
Phases de création d'une tornade:
1) -Le cumulonimbus, présentant tous les facteurs nécessaires à la création d'un orage (instabilité atmosphérique, humidité...), la tornade résultera de cet orage.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.
2) création d'un mésocyclone
La rotation de ce cumulonimbus est dut a la force de Coriolis ou "force centrifuge"qui elle même est 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 la force qui attire cette force de Coriolis 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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| La force de gradient de pression est en bleu, celle de Coriolis en rouge et le déplacement en noir. |
3-
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.
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 en créant un tourbillon horizontal.
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. 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.
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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Autres sortent de tornades:
-Les entonnoirs liquides:
Lorsqu'une tornade passe au-dessus d'un lac ou de la mer, la dépression en son centre aspire l'eau, formant une trombe. La vitesse des vents à l'intérieur d'une trombe est beaucoup moins élevée que dans une tornade ordinaire ( elle peut être de 80km/h seulement), en partie à cause du poids de l'eau qu'ils transportent.
-Mini-tornade de poussière:
On donne aussi le nom de trombes aux vortex de plus faible ampleur, communs dans les régions désertiques. Ils mobilisent des quantités d'énergie beaucoup plus faibles, et sont donc beaucoup moins dévastateurs que les tornades. Ils naissent néanmoins de la même manière:
l'air au-dessus des sables et des roches brûlants commence à s'élever rapidement, produisant le courant ascensionnel nécessaire à la formation d'un tourbillon. Les vents atteignent alors environ 40km/h.
