II La formation d'une tornade

II La formation d'une tornade

          1)Les conditions de formation

     La formation d'une tornade est dûe à plusieurs facteurs:

=>D'abord par l'instabilité de l'air qui est créée par la confrontation d'un courant d'air froid descendant et d'un courant d'air chaud ascendant : on sait que l'air chaud est plus léger que l'ai froid et donc il a tendance à remonter alors que l'air froid a tendance à descendre. Or, lors de la formation d'une tornade, et même tout simplement, lors de celle d'un orage, l'air chaud et humide se trouve emprisonné sous l'air froid et sec, séparé uniquement par une couche d'air chaud, stable (que l'on trouve à une altitude de 1500 mètres). On comprend bien alors que cet environnement est très instable et sa stabilité ne dépend que du maintien de cette couche d'air. Mais celle-ci disparaît lorsque le soleil la chauffe par la base du nuage. Plus rien ne retient alors l'air chaud qui monte instantanément, sa partie supérieur est apelé le dôme.(voir schéma ci dessous)

=>Puis des violents flux d'air qui s'engagent dans la cellule convective provoquée par cette instabilité : l'appel d'air provoqué par l'ascension de l'air chaud crée une puissante aspiration au niveau du sol. Ce courant d'air ascendant, s'il rencontre des vents cisaillants en altitude (appelés "jet streams"), va se mettre à tourner lentement, puis de plus en plus vite. C'est pourquoi les tornades tournent, dans l'hémisphère nord, dans le sens cyclonique (c'est à dire dans le sens des aiguilles d'une montre) tandis que celles de l'hémisphère sud tournent dans le sens anticyclonique (c'est à dire le sens inverse des aiguilles d'une montre).

A la base du cumulonimbus, l'air chaud et l'air refroidit se rencontrent, provoquant une zone de turbulences, appelée "front de rafales". C'est le long de ce front que se forment les tornades.(voir schémas ci dessous)

     

 

La formation en images :

Le cumulonimbus est un nuage assez anodin, observable les jours d'été.

La menace est clairement visible, le nuage a pris une teinte orageuse et en son centre, la rotation a commencé.

La tornade amorce sa descente pour finir sa formation, il y a encore une chance qu'elle avorte.

La tornade a continué sa route, plus rien ne l'arrêtera maintenant.

La tornade est complètement formée, il ne reste plus qu'à attendre qu'elle finisse son travail et décide de partir d'elle-même.

 Formation du vortex en vidéo :

 

          2)Sa composition

     Une tornade est composée principalement d'un cumulonimbus et d'un vortex (ou tuba).

_Le Cumulonimbus :
     C'est le nuage d'orage qui à la plus grande extension verticale. Sa base peut se situer de quelques centaines de mètres à deux mille mètres aux dessus du sol. Son sommet peut dépasser la tropopause (limite entre la troposphère et la stratosphère ).
Plusieurs conditions sont nécessaires à sa formation : il faut qu'il y ait de l'air chaud et humide à la base et un rayonnement solaire sur le sol qui crée un mouvement de convection.
L'air chaud et humide s'élève et se condense en rencontrant, en altitude, un courant froid.
Ensuite, l'air chaud (qui est plus léger) continue de monter en altitude et crée un courant ascendant alors que l'air froid alors qu'on a un courant d'air froid descendant. On a deux mouvements contraires qui forment donc un mouvement de spirale (les courants de vents s'enroulent l'un dans l'autre).

_Le vortex :
     Le vortex est souvent appelé tuba car il prend souvent la forme d'un nuage en forme d'entonnoir.    
Au cours de la brève existence d'une tornade, la taille et la forme du tuba peuvent beaucoup changer.
Il mesure de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres de long, il peut même atteindre le sol. Au point de contact avec le cumulonimbus, son diamètre varie entre quelques mètres et quelques centaines de mètres
Le forme du tuba est le plus souvent de forme conique mais les tornades puissantes forment des colonnes cylindriques, courtes et larges. Le tuba peut aussi ressembler à la forme d'une corde qui serpente horizontalement.
La couleur du tuba varie aussi :
- lorsqu'il est composé en majeure partie de gouttelettes d'eau, il peut varier entre le blanc et le gris bleuté.
- lorsque le coeur a accumulé de la poussière, le tuba prend une couleur grise.
- lorsque la tor
nade se situe sur un sol d'argile, le tuba prend une couleur rouge/oranger.

          3)Direction d'une tornade

     En général, une tornade se déplace du sud ouest vers le nord ouest. La tornade se déplace en suivant une trajectoire légèrement incurvée, tributaire du déplacement du nuage d'où elle prend naissance mais elle peut changer de direction de façon soudaine. C'est pourquoi, pour la plupart des tornades leurs directions restent un mystère pour les scientifiques.

          4)Modélisation

     Pour mieux comprendre le fonctionnement d'une tornade on peut s'appuyer sur des expériences. Nous avons donc décidé de faire deux expériences assez simples à réaliser. Le but est ici de visualiser le mécanisme d'une tornade, cependant ce n'est pas une véritable tornade miniature capable d'aspirer. On ne peut voir que le mécanisme de formation et la forme des tornades.

Expérience 1:

Protocole expérimental :

Il faut tout d'abord remplir un grand becher d'eau. Ensuite on place le becher sur l'agitateur magnétique et on le met en fonctionnement au niveau maximum.

Résultats de l'expérience:

On observe la formation d'un tourbillon d'air.

Conclusion:

En animant l'eau d'un mouvement circulaire, l'air s'infiltre verticalement par le trou et suit ainsi le mouvement de l'eau. La tornade est ce tourbillon d'air nettement visible et conique comme dans la réalité.

 

Expérience 2:

Protocole expérimental :  

Prendre deux bouteilles en plastique. Percer ensuite un trou de 1 cm de diamètre au centre de chaque bouchon. Puis assembler les deux bouchon avec de la colle et laisser sécher. Entourer les deux bouchons de ruban adhésif pour que ce soit bien étanche. Visser le double bouchon sur l'une des bouteilles. Remplir l'autre bouteille aux ¾ d'eau. Visser la bouteille vide sur la bouteille remplie d'eau. Retourner l'ensemble, et le poser sur un support plat et observer.

Observations :
On observe l'apparition d'une Colonne d'air translucide et tourbillonnante au centre de la bouteille supérieure, s'étendant du double bouchon à l'air situé au dessus de l'eau. L'eau s'écoule le long des parois de la bouteille inférieure.

Conclusion :

La conclusion est la même que celle de la première expérience c'est à dire qu'en animant l'eau d'un mouvement circulaire, l'air s'infiltre verticalement par le trou des deux bouchons et suit ainsi le mouvement de l'eau. La tornade est alors ce tourbillon d'air nettement visible et conique comme dans la réalité.

 

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