Pourquoi une tornade génère-t-elle des vents aussi violents ?
– Comment un large tourbillon d’orage, en se resserrant, tourne plus vite
Dans un cumulonimbus (le gros nuage d’orage, celui qui porte la foudre), il peut se former un tourbillon lent, large de plusieurs km. Pourtant, la tornade qui en descend jusqu’au sol peut produire l’un des vents les plus rapides jamais mesurés sur Terre. Le tourbillon est le même. Pourquoi sa vitesse change-t-elle autant ?
Asseyez-vous sur une chaise pivotante, comme un siège de bureau, les bras grands ouverts, et laissez-vous tourner lentement. Ensuite, ramenez les bras contre votre corps : la rotation s’accélère d’un coup.
Vous êtes passé d’un état « large », bras tendus, à un état « étroit », bras repliés. Le même corps se met à tourner à une tout autre vitesse. Dans une tornade, il se passe quelque chose de très semblable.
À l’intérieur d’un cumulonimbus bien développé, il peut se former une rotation relativement lente (mésocyclone), large de quelques km.
Lorsque le tourbillon est étiré vers le sol et que sa largeur est divisée par plusieurs centaines, une propriété physique, la conservation du moment cinétique, fait grimper fortement sa vitesse de rotation.
Voyons pas à pas ce « large tourbillon » et cette accélération quand il se resserre.
Pourquoi un large tourbillon se forme-t-il dans le nuage ?
Dans un cumulonimbus bien développé, le vent peut changer de direction et de force selon l’altitude. Cette différence peut créer dans l’air un « tube tourbillonnaire » couché à l’horizontale. Un puissant courant ascendant du nuage soulève ce tube et le redresse à la verticale. Il naît alors une rotation lente, large de quelques km (le mésocyclone).
À ce stade, la rotation n’est pas encore très rapide. Le problème, c’est ce qui se passe ensuite.
Pourquoi un tourbillon qui se resserre tourne-t-il plus vite ? La conservation du moment cinétique
Un objet en rotation possède une grandeur qui mesure son « élan de rotation » : le moment cinétique. Tant qu’aucune force extérieure particulière n’intervient, cette grandeur reste à peu près constante. Elle est, en gros, le produit de la « vitesse de rotation » par le « rayon du tourbillon ».
Autrement dit, si le rayon du tourbillon diminue, la vitesse doit augmenter d’autant pour que le moment cinétique se conserve. Quand le courant ascendant du nuage étire un large tourbillon vers le haut et l’affine, la rotation s’emballe selon cette relation. C’est le même principe qu’une patineuse artistique qui, en tournant, ramène ses bras contre elle et accélère.
En réalité, un courant descendant près du sol (le RFD) peut par exemple entourer la base du tourbillon d’air froid : on pense que plusieurs processus interviennent en même temps. La seule conservation du moment cinétique n’explique pas toute la puissance d’une tornade.
Elle résulte d’un large tourbillon déjà présent, que la nature a resserré en un instant.
À vérifier soi-même
- Asseyez-vous sur une chaise pivotante (siège de bureau, par exemple) et écartez largement les bras.
- Demandez à quelqu’un de vous faire tourner doucement, ou poussez le sol du pied pour vous lancer lentement.
- Pendant la rotation, ramenez les deux bras contre votre corps.
- Constatez que la rotation s’accélère d’un coup (par sécurité, faites-le dans un espace dégagé, sans objet ni personne autour).
Il suffit de réduire le « rayon » en repliant les bras pour tourner plus vite : c’est la même relation que lorsqu’un tourbillon se resserre pour devenir une tornade.
Si vous êtes dehors, réfugiez-vous tout de suite dans une pièce sans fenêtre d’un bâtiment solide. À l’intérieur, la consigne de base est de vous éloigner des fenêtres et des murs extérieurs et de vous tenir près du sol. Les voitures, les hangars et les bâtiments préfabriqués ou provisoires sont réputés moins sûrs qu’un bâtiment solide, à cause des projectiles et des risques d’effondrement.
En résumé
Le vent violent d’une tornade ne surgit pas de nulle part. On pense qu’il vient d’un tourbillon lent, large de quelques km, déjà présent dans le nuage, que le courant ascendant resserre : selon la conservation du moment cinétique, sa vitesse de rotation grimpe alors fortement.
Une rotation large et lente devient, simplement en s’affinant, le vent le plus rapide de la planète.
On retrouve ce passage de la rotation à la vitesse dans la façon dont un chat se redresse en l’air : tout est expliqué dans cet article. Un tourbillon qui se resserre et accélère s’observe aussi dans les rivières : lisez aussi l’article sur les anneaux d’eau sous une marche. Enfin, pour mesurer la force avec laquelle un vent rapide pousse les objets — la peur du calcul « la force du vent croît avec le carré de sa vitesse » —, voyez cet article.
Pour aller plus loin – termes, chiffres et liens avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « physique de base » du lycée
- Lycée+Physique de lycée approfondie, ou contenu de manuel présenté en approfondissement ou en encadré
- UniversitéMatières universitaires non vues au lycée (météorologie, mécanique des fluides)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, non considérés comme acquis, même à l’université
CollègeVocabulaire : les mots autour de la tornade
- Cumulonimbus : nuage très développé à la verticale, accompagné de foudre, de fortes pluies et de rafales.
- Mésocyclone : rotation lente, large de quelques km, qui se forme à l’intérieur d’un cumulonimbus.
- Moment cinétique : grandeur qui mesure l’« élan de rotation » d’un objet qui tourne.
LycéeVérifier par le calcul : si le tourbillon se resserre au dixième, que devient la vitesse du vent ?
Avec une relation simplifiée où « rayon » × « vitesse de rotation » reste à peu près constant, estimons le changement de vitesse du vent quand le tourbillon se resserre.
vitesse après resserrement ≒ rayon initial × vitesse initiale ÷ rayon après resserrement
| Rayon initial | 2000 m (ordre de grandeur d’un mésocyclone) |
| Vitesse initiale | 5 m/s (ordre de grandeur d’une rotation lente) |
| Rayon après resserrement | 200 m (on suppose une division par 10) |
* Estimation avec un modèle simplifié, qui ignore le frottement de l’air et les mouvements verticaux complexes. La vitesse du vent d’une vraie tornade ne dépend pas que de cela.
| Rayon × vitesse (initial) | 2000 × 5 ＝ 10000 |
| Vitesse après resserrement (m/s) | 10000 ÷ 200 ＝ 50 |
| Conversion en km/h | 50 × 3.6 ＝ 180 |
| Résultat | Dans le modèle simplifié, un vent d’environ 50 m/s (environ 180 km/h) |
180 km/h, c’est un vent proche de la vitesse d’un train à grande vitesse qui souffle en furie au sol. Il suffit que le rayon soit divisé par 10 pour obtenir un tel changement. Dans les fortes tornades réelles, le tourbillon peut se resserrer encore davantage et d’autres processus s’y ajoutent : on a parfois enregistré des vents plus rapides encore.
Lycée+La même physique de rotation que chez la patineuse
Le moment cinétique d’un objet en rotation s’écrit masse × vitesse × rayon (le coefficient exact varie avec la répartition de la masse et la forme de la rotation, mais l’idée de base reste la même). Que la patineuse ramène ses bras pour tourner plus vite ou qu’un tourbillon de tornade se resserre, c’est la même relation : ce que l’on perd en rayon, on le regagne en vitesse.
UniversitéLes modèles dynamiques de la formation des tornades en météorologie
En météorologie et en mécanique des fluides, plusieurs modèles tentent d’expliquer pourquoi et où, dans un mésocyclone, le tourbillon se resserre encore pour former une tornade. On étudie surtout comment le courant descendant du nuage (RFD, « rear-flank downdraft ») influence la température et l’humidité à la base du tourbillon.
RechercheCe qui reste flou
- Savoir à l’avance, avec précision, quels mésocyclones produiront une tornade et lesquels non reste un sujet de recherche actuel.
- Le détail de la formation d’une tornade (tornadogenèse) est l’un des grands problèmes non résolus de la météorologie ; de nombreux pays mènent des campagnes de terrain avec véhicules mobiles et radars Doppler.
- La façon dont le changement climatique modifie le nombre, l’intensité et les régions de formation des tornades est aussi en cours d’étude.
Même un phénomène aussi violent qu’une tornade cache un sujet riche, à la croisée de la météorologie et de la mécanique des fluides, toujours étudié aujourd’hui.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : météo / formation des nuages | Vocabulaire de base : cumulonimbus, mésocyclone |
| Lycée | Physique de base : mouvement de rotation (approfondissement) | Calcul de proportionnalité rayon–vitesse |
| Lycée+ | Physique : moment cinétique (approfondissement) | Parallèle avec la patineuse |
| Université | Météorologie, mécanique des fluides | RFD et modèles dynamiques de formation des tornades |
| Recherche | Météorologie (recherche en cours) | Prévision de la formation des tornades, effets du changement climatique |
- Explications sur les cumulonimbus, les mésocyclones et la formation des tornades dans les manuels de météorologie.
- Explications sur la conservation du moment cinétique et la dynamique des tourbillons dans les ouvrages de mécanique des fluides.
- Explications sur l’observation des tornades, les alertes et les consignes de sécurité par des organismes publics, dont l’Agence météorologique du Japon (気象庁).
- Synthèse de recherches d’observation de terrain sur la formation des tornades (tornadogenèse) en météorologie.
* Les valeurs de rayon et de vitesse sont des ordres de grandeur, destinés à faire comprendre le mécanisme. L’ampleur et la vitesse du vent d’une tornade réelle varient beaucoup selon les cas.
* Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faire comprendre le mécanisme. Pour juger d’une situation météorologique réelle, suivez les annonces et alertes des organismes publics, comme l’Agence météorologique du Japon.