Une tornade (de l'espagnol tornado, dérivé du verbe tornar, tourner) est un tourbillon de vents extrêmement violents, prenant naissance à la base d'un nuage d'orage (cumulonimbus) lorsque les conditions de cisaillement des vents sont favorables dans la basse atmosphère. De très faibles tornades peuvent également se développer sous des nuages d'averses (cumulus congestus)..
Ce phénomène météorologique a un pouvoir destructeur supérieur à celui d'un cyclone tropical au mètre carré, mais est de durée et d'étendue limitées : il concerne un corridor de quelques centaines de mètres de large sur quelques kilomètres de long. Certaines tornades ont engendré les vents les plus forts signalés à la surface du globe. Elles tuent chaque année de 300 à 400 personnes (selon une estimation de l'Organisation météorologique mondiale), dont 150 aux États-UnisArticle « tornades et trombes », Encyclopædia Universalis, ..
Appellation et abus de langage Les tornades, faibles ou fortes, ont des caractéristiques propres et sont jugées par leur intensité (Échelle de Fujita), non par leur dimension. C'est pourquoi l'expression « mini-tornade », souvent employée dans les médias, est à proscrire. Il s'agit le plus souvent en effet d'un terme fourre-tout qui est utilisé pour décrire tout dommage par le vent et très localisé, sans tenir compte du mécanisme causal. Il confond le plus souvent des phénomènes aussi différents que des rafales descendantes et fronts de rafales sous et à l'avant d'orages, des grands vents synoptiques et de faibles tornades..
Description du phénomène vignette|gauche|Photo d'une trombe marine. Les tornades ont depuis longtemps défrayé la chronique et certaines ont été retenues par lHistoire, même avant d'être appelées de ce nom. Par exemple, Grégoire de Tours décrit un événement survenu dans la vallée de la Loire au qui semble correspondre au phénomène : « le vent du midi souffla sur le pays avec tant de violence qu’il renversa les forêts, abattit les maisons, arracha les haies, et fit périr des hommes même enlevés dans un tourbillon qui parcourut en largeur un espace de près de sept arpents. On n’a pu savoir ni estimer jusqu’où s’était prolongé son passage ».
Une tornade est un tourbillon de vent isolé prenant la forme d'un entonnoir sortant d'un nuage convectif, généralement les cumulonimbus, et dont la pointe est tournée vers la surface terrestre. Lorsque la seule condensation suffit à le rendre visible, ce qui n'est pas toujours le cas, pareil tourbillon prend le nom de tuba. En touchant la surface terrestre il prend l'aspect d'une colonne d'orientation à peu près verticale, mais souple et mobile horizontalement. Celle-ci, en balayant la terre ferme ou l'eau, soulève sur son passage toutes sortes d'éléments solides ou liquides qu'elle entraîne à sa base en une excroissance bouillonnante, appelée le buisson de la trombe et constituée soit par une nuée de gouttelettes au-dessus de la mer, soit par des poussières, du sable et une multitude de débris au-dessus du sol..
vignette|Image composée de l'évolution de l'entonnoir nuageux à Minneola (Kansas), mai 2016. vignette|Une vidéo accélérée d'une tornade dans le Colorado, juin 2018. On parle de tornade si l'air en rotation entre en contact avec la terre ferme ; lorsque le phénomène ne touche pas le sol, on parle simplement d'un entonnoir nuageux. Lors d'un contact sur l'eau plutôt que sur le sol, on parle alors de trombe marine. Lorsque l'on observe des trombes marines se former en l'absence de nuages de convection atmosphérique, il s'agit d'un phénomène similaire à un tourbillon de poussière sur la terre ferme.
La tornade se développe près du courant aérien ascendant de l'orage se trouvant dans un environnement où les vents dans les premiers kilomètres de l'atmosphère changent non seulement de force, mais également de direction avec l'altitude. Les orages supercellulaires sont le plus souvent associés à des tornades en raison de la configuration particulièrement bien cisaillée des vents autour de ces derniers. Cependant, les vents descendants de lignes de grains ou les fronts de rafales entre les cellules d'orages multicellulaires peuvent aussi interagir pour en produire. Il arrive même parfois que de faibles tornades se développent dans le courant ascendant d'un cumulus bourgeonnant.. Les cyclones tropicaux, où l'on retrouve des orages, sont également accompagnés de tornades lorsqu'ils entrent sur terre.
La vitesse de déplacement d'une tornade qui touche le sol est très variable mais peut atteindre 100 kilomètres par heure. L’entonnoir se déplace généralement du sud-ouest vers le nord-est (hémisphère nord), mais il peut changer de direction de façon soudaine avec une forte sinuosité.
Pression atmosphérique
La pression dans le cœur peut être inférieure de 10 % à celle de l'atmosphère environnante (à peu près la même différence qu'entre la pression au niveau de la mer et à une altitude de ). Cette différence de pression est insuffisante pour créer des dommages importants à la plupart des immeubles ou pour soulever des objets lourds. Ce sont les vents qui précèdent le tourbillon qui causent en fait les effets mentionnés dans la section sur les dégâts.
Sens de rotation
Le mouvement de l'air dans un système en rotation est une balance entre diverses forces. Selon le second principe de Newton exprimé dans les équations primitives atmosphériques, on additionne ces forces pour connaître la force totale qui s'exerce sur le fluide. :
La partie de gauche de l'équation est l'accélération que subit la parcelle d'air. À droite on retrouve la force de Coriolis, la variation de pression dans le système, la gravité, la force centrifuge et la friction. Dans un système météorologique à grande échelle, comme une dépression, la différence de pression commence le mouvement de l'air des hautes vers les basses pressions. Ce mouvement sera relativement lent et la force de Coriolis pourra dévier l'air vers la direction des Pôles pour donner le vent dans l'atmosphère libre. La friction agit près du sol pour dévier un peu plus l'air vers le centre de la basse pression et donner le vent réel. La force centrifuge, , est négligeable car le rayon () d'un tel système est très grand et la gravité s'exerce vers le bas. Tout ceci donne un sens de rotation bien spécifique selon l'hémisphère, par exemple le sens anti-horaire dans l'hémisphère nord.
Au sein même de la tornade, la balance des forces s'effectue cependant entre la pression atmosphérique et la force centrifuge. En effet, le diamètre et la durée de formation d'une tornade sont de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux nécessaires pour que la force de Coriolis ait le temps de s'exercer. Parce que cette dernière n'est pas impliquée, seule la direction aléatoire initiale du déplacement de l'air détermine le sens de rotation..
Tornade cyclonique
vignette|upright=0.65|Basculement du vortex par le courant ascendant et division de la cellule. Comme il est démontré plus loin dans la section « Création de la tornade », le vortex est d'abord une rotation horizontale de l'air, causée par le cisaillement des vents avec l'altitude. Celui-ci sera ensuite incliné verticalement par le courant ascendant sous l'orage. Malgré le fait que la force de Coriolis n'influence pas la rotation, les vents dans une tornade sont presque toujours cycloniques, sens anti-horaire dans l'hémisphère nord. En effet, la rotation provient des vents de large échelle (synoptique) qui eux sont soumis à cette force, comme expliqué antérieurement..
Tornade anticyclonique
Toutefois, une minorité significative de tornades tournent en sens contraire, sens horaire dans l'hémisphère nord et anti-horaire dans l'hémisphère sud. Il est estimé qu'environ 1 à 2 % des trombes aux États-Unis tournent dans ce sens et que dans la plupart des cas, elles sont de faible diamètre et intensité..
Cela est généralement dû à la friction s'exerçant près du sol par le relief et par l'interaction des vents ambiants avec le front de rafales sortant de l'orage. Ces deux phénomènes peuvent orienter le début de la rotation et le sens du cisaillement vertical. Ces tornades anticycloniques se rencontrent généralement comme une tornade satellite sous un orage supercellulaire (proviennant du même mésocyclone qui donne la tornade principale), avec les cyclones tropicaux et avec les grains en arc..
Les tornades anticycloniques se produisent également sous la cellule de gauche lorsqu'un orage supercellulaire se divise en deux, comme sur l'image de droite. Dans ce cas, c'est la partie descendante du tube de rotation qui forme le mésocyclone et sa rotation est inversée par rapport au vortex ascendant de la cellule-mère. Bien que le phénomène soit connu théoriquement depuis longtemps, le premier cas confirmé par radar s'est produit le à Sunnyvale, Californe, le . C'est un WSR-88D du service météorologique des États-Unis qui a capturé ces données sur une tornade d'intensité F-2 de l'échelle de Fujita..
Vortex Le vortex a généralement (mais pas toujours) la forme d'un nuage en entonnoir (le tuba) qui s'étend parfois jusqu'à terre. Ce tuba ne se forme que si la chute de pression dans le cœur dépasse une valeur critique, qui est fonction de la température et de l'humidité relative de l'air entrant.
Quand l'air pénètre dans la zone de basse pression, il se dilate et se refroidit. S'il se refroidit suffisamment, la vapeur d'eau qu'il contient se condense en gouttelettes. Plus l'air entrant est chaud et sec, plus la chute de pression doit être grande pour que la condensation puisse avoir lieu et que le tuba se forme. Parfois le tuba de condensation ne se constitue pas et l'on ne devine la présence de la tornade que par la poussière et les débris (formant une collerette appelée « buisson. ») qu'elle emporte.
Le tuba mesure de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres de long et, au point de contact avec le nuage générateur, son diamètre est compris entre quelques mètres et quelques centaines de mètres. Généralement il a une forme conique, mais les tornades très fortes engendrent des colonnes cylindriques courtes et larges. On distingue aussi, assez souvent, de longs tubes qui ressemblent à des cordes et qui serpentent horizontalement.
Au cours de la brève existence d'une tornade (jamais plus de quelques heures), la taille et la forme du tuba peuvent beaucoup changer et refléter les variations d'intensité des vents ou des propriétés de l'air entrant. La couleur du tuba varie du blanc sale au gris et même au gris bleu foncé lorsqu'il est constitué principalement de gouttelettes d'eau ; quand le cœur se remplit de poussière, le tuba prend une teinte originale, comme la couleur rouge de l'argile de certaines régions. Les tornades peuvent aussi être bruyantes, tel un rugissement parfois. Ce rugissement résulte de l'interaction turbulente des vents violents avec le sol.
Distribution mondiale thumb|upright=2|Distribution mondiale des tornades (points rouges) et des zones agricoles (vert) (Source: NOAA)