II- La formation des tornades :

La formation des tornades est le résultat d'un mécanisme complexe, faisant intervenir plusieurs

éléments différents, tels que les vents et les orages ainsi que des types de nuages particuliers.

A) Le vent :

Le vent est l'essence même d'une tornade. Sans celui-ci, le phénomène ne pourrait pas exister. Certains éléments intervenants dans le déplacement des masses d'air formant le vent sont détaillés ci dessous :

-La pression atmosphérique :

La pression atmosphérique est la pression exercée par la couche d'air en un lieu donné et mesurée en hectopascals grâce à un baromètre. Sa valeur moyenne au niveau de la mer est de 1 013 hectopascals. La formule utilisée pour la calculer est la suivante :

Ici, P est la pression exprimée en pascals, F la force exercée en Newton et A l'aire de la surface sur laquelle s'exerce F exprimée en m².

En reliant les points de la Terre qui ont la même pression, il est possible de réaliser des cartes isobares, qui servent aux météorologues. Par exemple, il y a de fortes chances qu'il ne pleuve pas au centre d'un anticyclone (zone de forte pression).

Le vent est du à un déplacement de l'air d'une zone à haute pression, vers une zone à basse pression. Ces différences de pressions sont provoqués par des changements de températures. Les cartes isobares sont utiles pour déterminer la présence de vent sur certaines régions, la force de celui-ci ou encore sa direction.

Une carte isobare de l’Europe de l'Ouest datant du 8 avril 2011 :

Ici, les nombres présents le long des lignes de couleurs marron sont les valeurs de la pression atmosphérique, exprimées en hectopascals. La lettre A symbolise un anticyclone, zone où la puissance du vent est faible, c'est le calme plat. La lettre D symbolise quant à elle une zone de dépression. Les lignes rouges représentent un front chaud et les lignes bleues un fond froid, termes qui seront explicités lors de la présentation de la formation d'un orage.

-Le gradient de pression :

La différence de pression atmosphérique est à l’origine de la force du vent. La puissance des vents change lorsque des variations de pression au sein de l'atmosphère ont lieu, mais cela dépend également de la distance sur laquelle ces variations s'effectuent. Cette relation est appelée le gradient de pression, dont la formule est la suivante :

Le gradient s’exprime en hPa/km. Grâce à celui-ci, il est possible de parvenir à calculer la vitesse du vent et sa direction. Néanmoins, une autre force importante intervient dans le déplacement des masses d'air autour du globe terrestre.

-La force de Coriolis :

Si la Terre ne tournait pas sur elle-même autour de son axe, la circulation des vents serait directe entre les zones de haute et basse pression. Toutefois, ce déplacement entraîne une force appelée force de Coriolis. Cette force dévie l'air en mouvement perpendiculairement à son axe de déplacement initial. Elle s'observe très facilement lorsque l'on débouche un évier ou une baignoire. Le sens de la déviation n'est pas le même selon l'hémisphère dans lequel nous nous trouvons. Dans l'hémisphère Nord, la force de Coriolis tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que dans l'hémisphère Sud, c'est l'inverse. Le diagramme suivant présente les différentes forces en présence et leurs effets sur le vent dans l'hémisphère Nord :

Ici, le déplacement du vent est symbolisé par les flèches noires, le gradient de pression par les flèches bleues et enfin la force de Coriolis par les rouges.

B) L'orage, lieu de naissance de la tornade :

Dans un premier temps, rappelons la définition du mot "orage", tirée de Wikipedia : un orage est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus. Ce dernier est à forte extension verticale, il engendre des pluies fortes à diluviennes, des décharges électriques de foudre accompagnées de tonnerre.

-Le cumulonimbus :

Le cumulonimbus, aussi appelé roi des nuages, est le nuage qui présente la plus grande extension verticale. Il s’étend en hauteur sur toute l'atmosphère, et même parfois dans la stratosphère, il peut en effet culminer jusqu'à 16 000 mètres d'altitude.

Photographie d'un cumulonimbus.

La chaleur, un taux d'humidité important et un conflit de masses d'air sont différents facteurs entraînant un cumulonimbus.

-La formation d'un cumulonimbus :

Sa formation est favorisée par des conditions chaudes et humides près de la surface, mais plus froides et sèches en altitude. La simple convection d'une journée estivale, un conflit de masse d'air chaud et d'air froid ou l'élévation brutale de l'air chaud sur les massifs montagneux sont à l'origine d'un cumulonimbus. La phase de formation de ce type de nuage peut être décomposée en trois temps distincts : dans un premier temps, l'air chaud présent au niveau du sol provoque une condensation de l'humidité. Celle-ci va alors remonter dans l'atmosphère en formant un nuage comme le montre la seconde partie du schéma ci-dessus. Les courants d'air froid situés à haute altitude vont alors entrer en confrontation avec les masses d'air chaud, ce qui provoquera l'élargissement du nuage, formant ainsi le cumulonimbus et entraînant l'apparition d'un orage.

-Les orages frontaux

L'orage est l’un des phénomènes atmosphériques les plus violents. On classifie les orages 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 ils sont à l'origine du phénomène que nous étudions, les tornades. Ils tiennent leur nom de la confrontation entre deux masses d'air de températures différentes, un air chaud et un air froid. Cette confrontation donne naissance à un front, toujours incliné à cause de la différence de densité des deux masses d'air (air chaud plus léger que l'air froid).

Les orages frontaux les plus fréquents sont associés à un front froid et forment une ligne appelée ligne de grains. Ces orages peuvent être très violents et peuvent durer longtemps. Ils sont accompagnés d'une forte activité électrique, de vents violents et de fortes précipitations. Ce sont eux qui donnent naissance aux tornades. En effet, la puissance des vents est plus importante au cœur d'un orage de front froid qu'au cœur d'un orage de front chaud. C'est généralement au sein de ce type particulier d'orage que l'on retrouve les cumulonimbus, seuls nuages à pouvoir déclencher une tornade. 

C) Formation de la tornade :

La formation d'une tornade ne peut avoir lieu que lorsque toutes les conditions évoquées ci-dessus sont réunies. L'élément essentiel à la formation de la tornade est le cisaillement des vents. Celui-ci va former un vortex (ensemble de nuages enroulés en spirale, spécifique d'une dépression, définition du Larousse) horizontal, comme le montre le schéma suivant :

Si ce cisaillement a lieu dans un nuage orageux tel que le cumulonimbus, les courants ascendants d'air chauds vont permettre au vortex de passer d'une position horizontale à une position verticale, présenté ci-dessous :

 Enfin, cette combinaison de mouvements ascendants en provenance du cumulonimbus et le mouvement giratoire venant du cisaillement des vents permet la formation d'un mésocyclone, une très grande colonne d'air tourbillonnant :

La définition du mésocyclone est la suivante : un mésocyclone est une zone de rotation plus ou moins verticale dans un orage. Cette zone de rotation possède un diamètre compris entre 1 et 15 km. Attention toutefois, un mésocyclone n'est pas une tornade, mais il peut en engendrer une.

L'apparition de la tornade en elle-même ne se fait que lorsque la rotation de l'air présent au sein du mésocyclone atteint un certain équilibre. La quasi-totalité de l'air en rotation est alors contraint de s'engouffrer dans le mésocyclone par le bas, la concentration se fait plus forte en s'accélérant, pour finalement former un tube qui gagne rapidement le sol, appelé tuba. Le tuba est l'un des éléments majeurs de la tornade, et son diamètre est très variable : quelques mètres seulement pour les plus petits, jusqu'à plusieurs centaines de mètres pour les plus gros. Le diamètre de ce tuba n'est néanmoins pas proportionnel à la puissance qu'il peut engendrer. Certaines tornades

possèdent même plusieurs tubas, tournant tous autour d'un même axe. Elles sont appelées « tornades à multi-vortex ».

Lorsque cet élément caractéristique de la tornade traverse certaines zones, il soulève feuilles, poussières et sables. Cet ensemble de particules forme ce que l'on appelle le buisson. 

Voici un exemple de tornade à multi-vortex :

Sur la photo ci-dessous, il est possible de remarque le "buisson" de la tornade :

Voici un schéma résumant le processus de formation de la tornade :

La multitude d'éléments formant le système de formation d'une tornade est donc relativement complexe, et aujourd'hui encore les scientifiques ne possèdent pas toutes les explications nécessaires à la compréhension complète et parfaite du phénomène.