Depuis plusieurs années, les scientifiques cherche à modéliser les tornades pour mieux comprendre les mécanismes et les conditions nécessaires à la formation de ces phénomènes. Ils ont pour but de prévoir les tornades le plus efficacement possible pour protéger les populations de la meilleure manière.
Pour cela, ils utilisent différentes techniques:
- soit ils créent une simulation numérique à l’aide de données qu’ils ont rassemblées,
- soit ils réalisent une expérience sur le transport de matière.
La simulation numérique
Dans un premier temps, nous allons expliquer comment le scientifique Leigh Orf modélise des tornades par des simulations numériques.
Leigh Orf commence tout d’abord par récolter des données expérimentales: la température, la vitesse et la direction des vents, l’humidité, ainsi que la pression en fonction des coordonnées géographiques et de l’altitude grâce aux ballons sondes et aux radars.
Il introduit ensuite ces données dans un supercalculateur pour représenter l’atmosphère. Le scientifique débute alors la simulation en y ajoutant un élément perturbateur, une variation de pression, de température par exemple.
Un supercalculateur américain
Nuage calculé à partir des données expérimentales
Pour exploiter ses résultats, Leigh Orf les représente sous forme d’images afin de les comparer avec la réalité. Il peut donc mettre en évidence les phénomènes internes aux orages qui l'intéressent et qu'il est impossible d’observer en direct.
Simulation des courants ascendants à l'intérieur d'une tornade
Vue du dessus des tourbillons simulés
L’ expérience de Hamid KELLAY
Une équipe du CNRS (Centre National de Recherche Scientifique) dirigée par H.KELLAY a réalisé une expérience qui consiste à modéliser des cyclones dans des bulles de savon.
Dans un premier temps, nous allons décrire le montage expérimental de cette expérience. Puis, dans un second temps, nous allons expliquer les observations obtenues.
Dans une ultime partie, nous montrerons comment les chercheurs ont interprété les résultats.
Afin de pouvoir créer ces bulles de savon, H.KELLAY et son équipe réalisent un montage expérimental très précis.
Les scientifiques créent la bulle grâce à une pipette qui est située dans une rainure derrière la solution de savon.
Cette bulle de savon va reposer sur un disque de laiton qui peut être chauffé.
Le disque peut tourner grâce à un moteur.
La température de la bulle est surveillée, permettant ainsi l’établissement d’un gradient (c’est-à-dire une échelle de température) entre l’équateur et le pôle.
Le gradient est mesuré soit par un thermocouple, soit par une caméra infrarouge.
Les chercheurs ont décidé d’utiliser la bulle de savon pour modéliser un cyclone car la faible épaisseur de la membrane savonneuse (quelques microns) peut être assimilée à la couche de l’atmosphère.
Le gradient de température provoque un déplacement de matière qui peut, en fonction de la valeur du gradient, devenir turbulent. Des remous apparaissent et créent des tourbillons quand ils s'ordonnent.
Montage expérimental
Ce mouvement est lié aux variations de la tension superficielle de la solution de savon, la tension superficielle étant la force de résistance de la surface.
Cette tension varie elle-même en fonction de la dilatation thermique.
Cette dilatation thermique est le fait que le volume de la bulle de savon va plus ou moins augmenter en fonction de la température.
Les scientifiques observent des écoulements de l’équateur vers le pôle. Comme les panaches thermiques issu de l’équateur ne sont pas denses, ils remontent jusqu’au pôle ce qui provoque un écoulement comparable à l’écoulement atmosphérique.
Les chercheurs observent plus de tourbillons proches du pôle et qui ont une plus courte durée de vie.
Les tourbillons ont un centre bien défini et se développent comme une structure en spirale. Ce modèle de formation se rapproche ainsi de ce qui se passe à la surface de la Terre et donc des cyclones.
Un graphique représentant la variation de la vitesse de rotation de la turbulence en fonction de sa durée de vie a été réalisé.
a) Variation de la vitesse de rotation de la turbulence en fonction de sa durée de vie, résultats obtenus par H.KELLAY .
b)Variation de la vitesse de rotation de cyclones réels en fonction de leur durée de vie
Il a été constaté que cette vitesse augmente jusqu'à une vitesse maximale, puis elle diminue jusqu'à la fin de l’expérience.
Suite à ces différents tests, H.KELLAY a pu définir une formule mathématique pour prévoir l’intensité maximale dans le temps. C’est une équation de droite qui représente la loi de variation de la vitesse de la bulle dans le temps.
Il a ensuite réalisé un autre graphique dans lequel il a représenté la vitesse de cyclones qui ont réellement existé par rapport à leur durée de vie. Il a ainsi pu constater que la courbe obtenue ressemble fortement à celle du graphique de la bulle de savon.
Il en a donc conclu que la loi de variation de vitesse déterminée pour les bulles de savon était très probablement la même que loi de variation des cyclones.
Nous pouvons en conclure qu’il est possible de modéliser des cyclones.
Des turbulences plus petites identiques à des tornades ont-elles été observés? C’est l’une des questions que nous aurions aimées poser à H.KELLAY.
Dans un premier temps, nous allons décrire le montage expérimental de cette expérience. Puis, dans un second temps, nous allons expliquer les observations obtenues.
Dans une ultime partie, nous montrerons comment les chercheurs ont interprété les résultats.
Afin de pouvoir créer ces bulles de savon, H.KELLAY et son équipe réalisent un montage expérimental très précis.
Les scientifiques créent la bulle grâce à une pipette qui est située dans une rainure derrière la solution de savon.
Cette bulle de savon va reposer sur un disque de laiton qui peut être chauffé.
Le disque peut tourner grâce à un moteur.
La température de la bulle est surveillée, permettant ainsi l’établissement d’un gradient (c’est-à-dire une échelle de température) entre l’équateur et le pôle.
Le gradient est mesuré soit par un thermocouple, soit par une caméra infrarouge.
Les chercheurs ont décidé d’utiliser la bulle de savon pour modéliser un cyclone car la faible épaisseur de la membrane savonneuse (quelques microns) peut être assimilée à la couche de l’atmosphère.
Le gradient de température provoque un déplacement de matière qui peut, en fonction de la valeur du gradient, devenir turbulent. Des remous apparaissent et créent des tourbillons quand ils s'ordonnent.
Montage expérimental
Ce mouvement est lié aux variations de la tension superficielle de la solution de savon, la tension superficielle étant la force de résistance de la surface.
Cette tension varie elle-même en fonction de la dilatation thermique.
Cette dilatation thermique est le fait que le volume de la bulle de savon va plus ou moins augmenter en fonction de la température.
Les scientifiques observent des écoulements de l’équateur vers le pôle. Comme les panaches thermiques issu de l’équateur ne sont pas denses, ils remontent jusqu’au pôle ce qui provoque un écoulement comparable à l’écoulement atmosphérique.
Les chercheurs observent plus de tourbillons proches du pôle et qui ont une plus courte durée de vie.
Les tourbillons ont un centre bien défini et se développent comme une structure en spirale. Ce modèle de formation se rapproche ainsi de ce qui se passe à la surface de la Terre et donc des cyclones.
a) Variation de la vitesse de rotation de la turbulence en fonction de sa durée de vie, résultats obtenus par H.KELLAY .
b)Variation de la vitesse de rotation de cyclones réels en fonction de leur durée de vie
b)Variation de la vitesse de rotation de cyclones réels en fonction de leur durée de vie
Il a été constaté que cette vitesse augmente jusqu'à une vitesse maximale, puis elle diminue jusqu'à la fin de l’expérience.
Suite à ces différents tests, H.KELLAY a pu définir une formule mathématique pour prévoir l’intensité maximale dans le temps. C’est une équation de droite qui représente la loi de variation de la vitesse de la bulle dans le temps.
Il en a donc conclu que la loi de variation de vitesse déterminée pour les bulles de savon était très probablement la même que loi de variation des cyclones.
Des turbulences plus petites identiques à des tornades ont-elles été observés? C’est l’une des questions que nous aurions aimées poser à H.KELLAY.
Bulle de savon réalisé par H.KELLAY