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La tornade
L'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand a développé un simulateur de tornade, utilisé lors d'expositions scientifiques.
Pour commencer, qu'est-ce qu'une tornade?
Définition
Une tornade est le phénomène météorologique le plus dévastateur. Une tornade se forme lors d’orage violent. C’est un puissant tourbillon d’air ascendant en entonnoir, dont le diamètre est généralement compris entre 50 et 1000 m. Elle prend naissance à la base d’un énorme nuage le Cumulonimbus.
Le cumulonimbus pompe l’air chaud et humide des basses couches de l’atmosphère. Plus la surface du Cumulonimbus est grande, plus le conflit entre l’air chaud et l’air froid prend de l’ampleur jusqu’à former de véritables tourbillons à l’intérieur du nuage. Au sein du nuage les vents des couches nuageuses supérieures soufflent beaucoup plus fort que ceux des couches inférieures et selon une direction opposée. Le nuage se met à tourner lentement sur lui-même, la rotation de la partie centrale devient plus prononcée que celles des régions périphériques. La colonne d’air tourbillonnant finit par se frayer un chemin jusqu’au sol en prenant la forme d’un entonnoir. Ces systèmes orageux rotatoires et complexes donnent naissance à des colonnes d’air, animées d’un mouvement vrillé ascendant et dont la trajectoire au sol peut varier de 100 m à 10 km de long.
L’Echelle de FUJITA
Les tornades sont classées d’après l’échelle Fujita créée en 1981 par le physicien japonais Tetsuya FUJITA. Cette échelle comporte 6 degrés de F0 à F5 selon la vitesse approximative des vents et les dommages causés par les tornades
Chiffre FUJITA |
Vitesse moyenne du vent
(Km/H) |
Dommages causés |
% des tornades
dans cette catégorie |
F0 |
Vents légers inférieurs à 115 Km/h |
Dommages légers (branches cassées, dégâts mineurs sur les maisons : cheminées, antennes…) |
28 % |
F1 |
Vents modérés de 116 à 179 Km/h |
Dommages aux toitures et aux véhicules |
39 % |
F2 |
Vents forts de 180 à 249 Km/h |
Toitures arrachées, arbres déracinés hangars et dépendances démolies, maisons mobiles renversées |
24 % |
F3 |
Vents très forts de 250 à 330 Km/h |
Maisons partiellement détruites |
6 % |
F4 |
Vents dévastateurs de 331 à 419 Km/h |
Maisons détruites, gros objets en acier ou en béton ainsi que véhicules projetés |
2 % |
F5 |
Vents destructeurs plus de 420 Km/h |
Maisons rasées ou projetées sur de grandes distances |
1 % |
Les dégâts sont provoqués par l’effet combiné de la vitesse incroyablement élevée du vent et de la pression extrêmement basse sur une très petite distance.
Une tornade se déplace du sud-ouest vers le nord-est.
Où frappent-elles ?
Aux Etats-Unis, les prairies du Midwest souffrent davantage des tornades que n’importe qu’elle autre région du monde, car la conjugaison, à basse altitude, d’air humide et chaud venant du golfe du Mexique et, à plus haute altitude, d’air froid et sec venant de l’ouest du pays, réunit les conditions favorables au déclenchement des plus violents orages.
Les tornades sont les plus fréquentes aux Etats Unis, dans le centre de l’Amérique du Nord, à l’est des Rocheuses. On parle de «chemin des tornades» dans l’Oklahoma, le Nebraska, le Kansas et le Missouri. Les Etats proches tel que le Wisconsin, l’Illinois, l’Iowa et l’Indiana peuvent également être touchés. On peut également en voir en Australie, au Japon, au nord de l’Inde, au Bengladesh, en Europe du Nord (Iles Britanniques) et l’Afrique du Sud.
Elles peuvent frapper toute l’année mais plus intensément entre avril et juin (ou elles font 30 % de leurs victimes).
Prévention des tornades
La meilleure prévention est de pouvoir les localiser avec précision.
Les scientifiques disposent du satellite et du radar Doppler pour aider à prévoir, avec le plus de précision possible, l’étendue de la région où pourrait frapper la tornade.
Ce radar permet de mesurer l’importance des précipitations et la vitesse des vents. Depuis les années 80 les scientifiques placent des instruments de mesure sur le passage des tornades afin de les sonder à distance pour mieux comprendre ce qui se passe à l’intérieur. Aujourd’hui les zones menacées sont mises en alerte de dix à vingt minutes avant son passage.
Présentation du simulateur de tornade élaborée par le service de développement technologique de l'OPGC
Réalisation du Service de Développement Technologique
de l ’Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (OPGC) |
Description fonctionnelle du dispositif :
Afin de générer un écoulement qui ressemble visuellement à une tornade, un moteur électrique à axe vertical, placé dans le bâtit supérieur, fait tourner 3 pales verticales au-dessus de la grille supérieure. L'air y est donc mis en rotation, et, par diffusion turbulente, il entraîne graduellement, du haut vers le bas, l'air en rotation dans toute la partie cylindrique du dispositif.
Pour visualiser cet écoulement, de fines gouttelettes d'eau froide sont produites dans la partie inférieure par un dispositif comportant un quartz piézo-électrique. Ce quartz, alimenté par un courant alternatif à très haute fréquence, vibre et, plongé dans un récipient rempli d'eau, crée de fortes vagues à la surface. Les gouttelettes sont produites par le déferlement des vagues, tout comme les embruns marins sont produits sur la plage. Ces gouttelettes sont soufflées à la base du dispositif par une pompe, et sont lentement aspirées vers le haut par l'air, permettant ainsi de visualiser l'écoulement de l'air en rotation. Ces gouttelettes brillent sous l'action des spots lumineux, améliorant ainsi le rendu visuel. Dans la partie supérieure, ces gouttelettes s'évaporent et disparaissent.
Le dispositif se met en fonctionnement lors d'une action, par le spectateur, sur le bouton poussoir implanté en façade. Le déroulement automatique de la séquence se fait sous le contrôle d'un processeur programmé qui gère les relais statiques alimentant les différents modules (moteur, pompe, quartz).
Le cylindre paravent est ouvert en façade, invitant le spectateur à interagir avec l'écoulement, pour en dévier la rotation ou la détruire ou pour vérifier que le refroidissement est ressenti de façon plus importante dans la partie nuageuse que dans la partie d'air clair.
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