Formation et caractéristiques des tornades : l’échelle de Fujita et le niveau EF5
Une tornade est un phénomène orageux plus ou moins violent consistant en un mouvement tourbillonnaire d'une centaine de mètres de diamètre. Elle est accompagnée d'une violente rotation des nuages, ils peuvent aller jusqu'au sol entraînant des dégâts importants (branches arrachées, arbres déracinés, maisons détruites, etc.).
Le mot tornade vient du mot espagnol "tornado" signifiant orage violent et vent tourbillonnant. En effet, la tornade est une immense colonne d'air tourbillonnante prenant naissance à la base d'un énorme nuage porteur d'orages, le cumulonimbus. Cette colonne d'air aspire tout sur son passage, que ce soit une brindille ou une maison.
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.
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La colonne d’air tourbillonnant finit par se frayer un chemin jusqu’au sol en prenant la forme d’un entonnoir. 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.
Conditions propices et dynamique : comment naît une tornade
Les tornades sont le résultat de la rencontre d'une masse d'air chaud instable et d'une masse d'air froid. Les indices précurseurs des tornades sont un temps chaud et humide et le développement d'orages causés par la collision des masses d'air frais avec l'air chaud.
S'ajoute à cela un système compliqué de courants ascendants et descendants dans l'atmosphère, ainsi qu'une partie de la base du nuage qui entre en rotation : une tornade est née. Une tornade se déplace au-dessus du sol à des vitesses variant entre 20 et 90 km/h.
Sa trajectoire peut être capricieuse et changer soudainement de direction. Les tornades liées aux orages très violents sont le plus souvent observées entre mai et septembre, avec un point culminant en juin et au début de juillet. La plupart d'entre elles surviennent dans l'après-midi et le début de soirée.
Variabilité des formes et phénomènes associés
Bien que la majorité des tornades ressemblent à un nuage en entonnoir tourbillonnant violemment, certaines peuvent avoir l'apparence d'un gros nuage bas, d'une grosse colonne de pluie ou même de la fumée d'un incendie. La forme peut se modifier sous nos yeux.
Les orages exceptionnellement puissants peuvent donner naissance à de multiples tornades ou encore à une seule tornade composée de plusieurs tourbillons plus petits mais intenses, tournant autour d'un centre commun.
Des rafales descendantes ou "avalanches d'air" sont également associées aux orages violents. Il s'agit de courants d'air descendants qui deviennent horizontaux lorsqu'ils touchent la surface du sol et produisent alors des vents allant jusqu'à 200 km/h. Comme les tornades, les rafales descendantes peuvent causer des dommages considérables. En fait, les dommages attribués aux tornades sont souvent dus à des rafales descendantes.
L’échelle de Fujita et l’échelle améliorée (EF) : mesurer l’intensité par les dégâts
Tout comme l'échelle de Richter mesure l'intensité des tremblements de terre, l'échelle de Fujita sert à mesurer la force des tornades. L'échelle de Fujita est une échelle qui classe les tornades en fonction des dégâts qu'elles provoquent, un peu comme l'échelle de Beaufort pour le vent.
Ted Fujita, météorologue et physicien, a conçu cette échelle. Il l'a divisé en six catégories différentes, allant de F0 à F5. L'échelle est basée sur l'apparition de dommages dans le cœur de la tornade, liés aux vitesses de vent possibles et/ou maximales.
Cependant, l'échelle de Fujita est dépassée et depuis 2007, l'échelle de Fujita améliorée ou EF (Enhanced Fujita) est utilisée. L'échelle Fujita sert à classer les tornades par ordre de gravité, en fonction des dégâts causés. Elle a été conçue en 1971 par le météorologue japonais-américain Tetsuya (Ted) Fujita.
En février 2007, l'échelle a été revue pour réduire les incertitudes associées à la force des vents en prenant mieux en compte la qualité des constructions. Cette nouvelle échelle, nommée « Fujita améliorée », utilise également six niveaux, gradués de EF0 à EF5 (E pour enhanced, « améliorée » ; F pour Fujita).
Le système international de notation de l'intensité des tornades est en vigueur depuis 2007, notamment aux États-Unis et en Europe. Il a été créé à partir de l'échelle de Fujita, du nom de son créateur Theodore Fujita, élaborée au début des années 1970.
L'échelle EF est bâtie autour de 28 indicateurs de dégâts, qu'il est impossible de retranscrire intégralement dans le détail ici. Une synthèse est toutefois proposée ci-dessous. L'échelle EF est une échelle de dégâts, ce qui la rend efficiente lors des enquêtes de terrain. L'échelle EF propose une série d'indicateurs de dommages, qui sont autant de référentiels pour l'analyse des dégâts.
Tableau synthétique des niveaux EF (vent en km/h et type de dommages)
| Niveau | Vitesse des vents (km/h) | Exemples de dégâts |
|---|---|---|
| EF0 | 105-137 | Domages légers : petites branches cassées, tuiles envolées, gouttières endommagées |
| EF1 | 138-178 | Domages modérés : toits partiellement soufflés, arbres cassés, fenêtres brisées |
| EF2 | 179-218 | Domages considérables : toits arrachés, gros arbres déracinés, projections à grande distance |
| EF3 | 219-266 | Domages sévères : étages de maisons détruits, trains renversés, camions déplacés |
| EF4 | 270-320 | Domages dévastateurs : maisons en grande partie détruites, arbres projetés à distance |
| EF5 | >320 | Dommages incroyables : maisons totalement rasées, structures importantes détruites |
Particularités de l’échelle EF en Europe et rôle de Keraunos
L'échelle de Fujita améliorée (EF) classe les phénomènes en six catégories, de EF0 à EF5, cette dernière étant la plus importante. Les notations américaines et européennes diffèrent légèrement, Keraunos ayant mis en place des critères spécifiques aux constructions du Vieux continent pour mesurer les dégâts occasionnés.
Malgré sa pertinence, l'échelle EF, dans sa version de 2007, comporte quelques manques et imperfections, liés au fait qu'elle est de conception strictement nord-américaine. C'est pour pallier cette lacune que KERAUNOS a développé une version augmentée de l'échelle EF. Cette variante, totalement calibrée sur l'échelle EF de 2007, a été développée spécifiquement pour intégrer à cette échelle les principaux types de bâtiments rencontrés en Europe.
Elle rend enfin possible une notation précise de l'intensité des tornades en Europe et une climatologie cohérente des deux côtés de l'Atlantique. C'est cette échelle qui est utilisée de manière opérationnelle par KERAUNOS, autant pour les cas actuels que pour les cas du passé, qui ont tous été ré-étudiés et documentés.
Pour ce faire, l'observatoire français des orages et des tornades, Keraunos, a lancé une enquête pour déterminer la trajectoire et la force de la tornade. L'organisme va notamment établir son intensité grâce à une échelle précise : celle de Fujita améliorée.
EF5 : la catégorie la plus extrême
Enfin, la catégorie la plus haute, EF5 regroupe les phénomènes dont les vents dépassent les 320 km/h avec tous les arbres et les structures importantes détruits, des maisons totalement rasées et des immeubles endommagés. Les tornades les plus violentes représentent les phénomènes atmosphériques les plus dévastateurs de la planète. Avec des vents jusqu'à 500 km/h, elles peuvent raser même les constructions les plus solides.
Dans le détail, une intensité EF4 correspond à des vents entre 270 et 320 km/h avec des maisons en grande partie détruites et des arbres projetés à distance. Une intensité EF3 est déclarée lorsque les vents ont atteint entre 220 et 270 km/h avec les étages des maisons en grande partie détruits et des arbres dépouillés.
La France n'a été touchée qu'une fois - selon les relevés récents - par un tel phénomène : le 19 août 1854 à Montville, en Seine-Maritime. Aux États-Unis, seules neuf tornades d'intensité EF5 ont été enregistrées depuis 2007, selon le National Weather Service. Quatre d'entre elles avaient frappé l'Alabama et le Mississippi en avril 2011. La plus récente remonte à 2013 dans l'Oklahoma.
Fréquence, impacts humains et difficulté de mesure
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.
De façon générale, les tornades d'intensité EF0 provoquent rarement de blessés, mais la menace s'accroît ensuite rapidement avec l'intensité. Le risque de décès devient sensible dès le niveau EF2 et quasiment certain au niveau EF5.
Comme il est difficile de mesurer les vents au sein de ces phénomènes dont les plus violents détruisent l’ensemble des anémomètres se trouvant sur leur passage, cette échelle a été établie en fonction des dégâts provoqués. En effet, par définition, il est impossible de réaliser des mesures de vitesses de vent pour des cas du passé.
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. Ce radar permet de mesurer l’importance des précipitations et la vitesse des vents.
Exemples récents en France et enquêtes locales
En Mayenne, une tornade s'est formée près de la localité d'Ernée, dimanche 17 septembre, provoquant l'effondrement de quelques bâtiments sans toutefois faire de victimes. L'épisode a duré une dizaine de minutes, mais son intensité doit encore être mesurée.
Une intensité mesurée grâce à l'échelle de Fujita améliorée. Le phénomène a été aussi court qu'intense. KERAUNOS utilise cette échelle également depuis 2007.
En France, l'intensité EF2 est souvent la plus élevée enregistrée et les phénomènes plus violents restent très rares. La dernière EF3 dans l'Hexagone est survenue en 2022 dans le village de Bihucourt, dans la Somme, tandis que la précédente remontait à 2013 dans la commune d'Etrochey (Côte-d'Or).
Simulateurs et vulgarisation
L'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand a développé un simulateur de tornade, utilisé lors d'expositions scientifiques. 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.
Pour visualiser cet écoulement, de fines gouttelettes d'eau froide sont produites dans la partie inférieure par un dispositif comportant un quartz piézo-électrique. 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. Le dispositif se met en fonctionnement lors d'une action, par le spectateur, sur le bouton poussoir implanté en façade.
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