Anatomie d'un orage violent

Trois éléments sont nécessaires à la formation d'une tornade :

Un cisaillement des vents dans les premiers kilomètres de l'atmosphère
Un courant ascendant important, causé par la poussée d'Archimède dans une masse d'air instable.
Une configuration des vents de surface qui puisse servir à concentrer la rotation verticale.
Un quatrième élément est utile mais pas toujours présent:

Un courant descendant dans les précipitations.

Les orages violents se forment dans une masse d'air instable où il y a disponibilité de beaucoup de chaleur et d'humidité à bas niveau et de l'air plus sec et froid en altitude. Une parcelle d'air qu'on soulève diminue de température (T) et de pression (P) avec l'altitude selon la loi des gaz parfaits ( {\displaystyle PV=nRT} PV=nRT). Dans une atmosphère instable, elle atteint un niveau où elle devient plus chaude que l'air environnant: le « niveau de convection libre » (NCL). Elle subit alors la poussée d'Archimède et s'élève librement jusqu'à ce que sa température soit de nouveau en équilibre avec la température environnante. Ce mouvement ascendant, que l'on appelle la convection libre, est un processus libérateur d'énergie, et l'énergie potentielle (Énergie Potentielle de Convection Disponible) emmagasinée dans l'atmosphère instable se transforme en énergie cinétique de déplacement.

Quand la parcelle s'élève, elle se refroidit jusqu'à son point de rosée, à un niveau appelé « niveau de condensation par ascension » (NCA) et la vapeur d'eau qu'elle contient commence à se condenser. Ce niveau peut être atteint avant ou après le NCL. La condensation libère une certaine quantité de chaleur, la chaleur latente, fournie à l'eau au moment de son évaporation. Il en résulte une diminution notable du taux de refroidissement de la masse d'air ascendante, ce qui augmente la poussée d'Archimède en augmentant la différence de température entre la parcelle et l'environnement.

Quelques remarques :

La base du nuage convectif se situera au NCA alors que son sommet sera au niveau d'équilibre.
L'énergie disponible est d'autant plus forte que le contraste entre les valeurs de température et d'humidité de surface et celles d'altitude est grand: il est par conséquent probable que le nombre d'orages violents augmente avec le réchauffement climatique mais pas nécessairement de façon générale. En effet, l'air des tropiques est très chaud et humide mais il n'y a pas d'orages continuels sur ces régions car c'est toute la colonne d'air qui est chaude et humide. L'instabilité n'y est donc pas aussi grande qu'on pourrait le penser. Le réchauffement planétaire pourrait surtout causer une augmentation des orages violents dans les régions nordiques.

Une atmosphère instable comporte souvent une zone d'inversion de température, c'est-à-dire une mince couche d'air où la température augmente avec l'altitude qui inhibe temporairement la convection. Une parcelle d'air s'élevant à travers cette couche sera plus froide que l'air qui l'entoure et aura tendance à être repoussée vers le bas. L'inversion est donc très stable, elle empêche tout mouvement ascendant et rétablit l'équilibre.

Au cours de la journée, lorsque le sol est chauffé par le soleil, l'air emprisonné sous cette inversion se réchauffe encore plus et peut également devenir plus humide du fait de l'évaporation. Si la zone d'inversion est localement érodée par des mélanges avec la couche inférieure ou si des phénomènes à grande échelle la soulèvent en bloc, la couche de surface devenue très instable jaillit violemment à certains endroits. L'air à la surface du sol s'écoule alors horizontalement vers ces points d'éruption et forme de hauts nuages d'orage.

Même en présence de facteurs thermodynamiques favorables, un courant ascendant n'apparaît que si l'air instable au voisinage du sol est poussé jusqu'à la convection libre. Dans le cas d'une masse d'air uniforme et sans mouvement, le réchauffement seul peut suffire, mais en général, il existe des déclencheurs qui vont permettre de concentrer l'activité orageuse:

Une inversion locale peut s'atténuer ou même disparaître complètement si un courant-jet d'altitude passe dans le secteur car à l'intérieur du courant-jet, des vents particulièrement intenses, soufflant à plusieurs centaines de kilomètres par heure, se déplacent dans le sens du courant en refoulant vers le bas l'air devant eux et en aspirant vers le haut l'air derrière eux. Ce phénomène d'aspiration ascendante, s'il est suffisamment fort, peut dissiper une inversion et favoriser la formation d'orages ou l'intensification des orages en cours.
La même chose peut se produire avec un courant-jet de bas niveau mais dans ce cas, il s'agit de convergence de masse à gauche du jet qui force l'air empilé à monter comme un pot que l'on presse à sa base.
Des effets locaux comme l'ascension forcée de l'air le long d'une pente par des phénomènes météorologiques à grande échelle ou des brises de mer qui amènent de l'air humide vers une zone instable.
Le passage d'un front froid, où de l'air froid et dense s'avance dans une région plus chaude, se frayant un chemin sous l'air chaud en le soulevant.
En général, on repère les zones d'orages violents en analysant le potentiel thermodynamique de la masse d'air et la position où l'on obtient le maximum de déclencheurs dynamiques.

Un orage violent fournit le courant ascendant intense et durable qui donne naissance à une tornade et qui évite que le cœur à basse pression ne se remplisse par le haut. Quand on observe le sommet d'un orage de ce type par satellite, on remarque généralement une suite caractéristique de « bulles » ascendantes, constituées de nuages qui s'élèvent entre deux et quatre kilomètres au-dessus du niveau supérieur du nuage principal avant de retomber dans la masse nuageuse. Ces bulles dénotent la présence, dans l'orage, d'un courant ascendant intense et très structuré. Cependant, une tornade ne se forme que si l'air du courant ascendant se met à tourner : c'est ce qui arrive quand ce courant ascendant concentre le mouvement de rotation des vents horizontaux de la troposphère.

Tous les vents ne font pas l'affaire. Ils doivent être soumis à un cisaillement vertical très fort en direction et en intensité. La vitesse du vent doit augmenter avec l'altitude et son orientation doit virer du sud-est vers l'ouest. Le cisaillement vertical du champ de vitesses du vent provoque un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal.

Pour comprendre pourquoi, il suffit d'imaginer une roue à palettes, d'axe horizontal, placée dans un champ de vent soufflant de gauche à droite. Si le vent qui frappe le haut de la roue est plus fort que celui qui souffle sur le bas, la roue se met à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre. De la même manière, une masse d'air placée dans un champ de vent soumis à un cisaillement est animée d'un mouvement de rotation car le haut de la masse d'air se déplace plus vite que le bas.

Quand les vents entrent en interaction avec un fort courant ascendant, cette rotation autour d'un axe horizontal peut basculer et devenir une rotation autour d'un axe vertical. Le cisaillement de la direction du vent est ainsi une cause directe de la rotation verticale ; les vents qui tournent du sud-est vers l'ouest engendrent une circulation cyclonique (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) de l'air qui s'engouffre à la base du courant ascendant de la dépression.

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

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.
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 par 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 basculement, l'effet de tube dynamique, la convergence et l'étirement vertical sont des processus qui s'entraînent mutuellement et qui peuvent, par la suite, former un mésocyclone dont le pied est à une altitude d'un kilomètre et le haut presque au sommet de l'orage à environ 15 kilomètres34. Les vents de surface soufflent à des vitesses atteignant parfois 120 kilomètres à l'heure dans toute la région située sous la colonne tourbillonnante. La rotation dans le mésocyclone est cependant encore trop diffuse et trop éloignée du sol pour engendrer des vents de surface très violents.

C'est lors de la seconde étape que de tels vents apparaissent et qu'un violent orage donne naissance à une tornade quand se forme l'œil de la tornade. Pour des raisons expliquées dans la section modélisation ci-dessous, une zone de convergence et d'étirement renforcés, d'un diamètre n'excédant pas un kilomètre, et un peu excentrée, se forme à l'intérieur du mésocyclone, en partie grâce à l'interaction avec le courant descendant de flanc arrière35,36. Des observations par radar Doppler suggèrent ici encore que l'intensification de la rotation commence en altitude, à plusieurs kilomètres au-dessus du sol, puis se propage très rapidement vers le bas. Sur une si petite zone, le mouvement de rotation est assez fort pour que le tuba descende jusqu'à quelques dizaines de mètres du sol34. Tout près du sol, les frottements empêchent l'établissement de l'équilibre cyclonique car ils ralentissent le mouvement de rotation.

Le gradient de pression entre le cœur de la tornade et l'atmosphère environnante aspire l'air à l'intérieur de celle-ci, à travers une fine couche d'air proche du sol. Du fait de l'inertie, le courant entrant va plus loin que son rayon d'équilibre, tout en conservant son moment cinétique et en gagnant de la vitesse quand il s'approche du centre du cœur, avant de se mettre à tourner brutalement et à monter en spirale. Par conséquent, les vents les plus violents soufflent dans une petite région en forme d'anneau à la base du vortex. Les frottements avec le sol limitent finalement la vitesse de l'air entrant à la base et empêchent donc la tornade de se remplir par le bas ce qui contribue à maintenir la dépression qui règne à l'intérieur.

Les conditions qui ont mené à la formation d'une tornade sont en équilibre instable. Le courant ascendant, le cisaillement des vents et la friction varient grandement d'un endroit à l'autre à micro-échelle. L'orage lui-même modifie ces conditions par les mouvements verticaux de l'air qu'il engendre. Lorsque l'équilibre est rompu, la tornade faiblit et se dissipe