Lorsqu'un panache nuageux de glace et de vapeur d'eau s'élève au-dessus du sommet d'un violent orage, il y a de fortes chances qu'une violente tornade, des vents violents ou des grêlons plus gros que des balles de golf vont bientôt frapper la Terre en dessous.

Une nouvelle étude dirigée par l'Université de Stanford, publié le 10 septembre dans Science , révèle le mécanisme physique de ces panaches, qui se forment au-dessus de la plupart des tornades les plus dévastatrices du monde.

Des recherches antérieures ont montré qu'ils sont faciles à repérer dans l'imagerie satellite, souvent 30 minutes ou plus avant que les intempéries n'atteignent le sol. "La question est, pourquoi ce panache est-il associé aux pires conditions, et comment cela existe-t-il en premier lieu? C'est le vide que nous commençons à combler, " a déclaré le scientifique de l'atmosphère Morgan O'Neill, auteur principal de la nouvelle étude.

La recherche intervient un peu plus d'une semaine après que des orages supercellulaires et des tornades se soient déclenchés parmi les restes de l'ouragan Ida alors qu'ils se dirigeaient vers le nord-est des États-Unis, aggravant la dévastation provoquée dans la région par des précipitations record et des crues éclair.

Comprendre comment et pourquoi les panaches prennent forme au-dessus d'orages puissants pourrait aider les prévisionnistes à reconnaître des dangers imminents similaires et à émettre des avertissements plus précis sans se fier aux systèmes radar Doppler, qui peuvent être assommés par le vent et la grêle - et avoir des angles morts même les bons jours. Dans de nombreuses régions du monde, La couverture radar Doppler est inexistante.

"S'il doit y avoir un terrible ouragan, nous pouvons le voir de l'espace. Nous ne pouvons pas voir les tornades car elles sont cachées sous le sommet des orages. Nous devons mieux comprendre les sommets, " dit O'Neill, qui est professeur adjoint de science du système terrestre à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

Orages supercellulaires et turbulences explosives

Les orages qui engendrent la plupart des tornades sont connus sous le nom de supercellules, une race rare de tempête avec un courant ascendant rotatif qui peut se précipiter vers le ciel à des vitesses supérieures à 150 milles à l'heure, avec assez de puissance pour percer le couvercle habituel de la troposphère terrestre, la couche la plus basse de notre atmosphère.

Dans les orages plus faibles, les courants ascendants d'air humide ont tendance à s'aplatir et à s'étaler en atteignant ce couvercle, appelé la tropopause, formant un nuage en forme d'enclume. Le courant ascendant intense d'un orage supercellulaire pousse la tropopause vers le haut dans la prochaine couche de l'atmosphère, créant ce que les scientifiques appellent un sommet dépassant. "C'est comme une fontaine poussant contre la prochaine couche de notre atmosphère, " dit O'Neill.

Alors que les vents de la haute atmosphère se précipitent au-dessus et autour du sommet saillant de la tempête, ils soulèvent parfois des jets de vapeur d'eau et de glace, qui jaillissent dans la stratosphère pour former le panache révélateur, techniquement appelé un panache de cirrus au-dessus de l'enclume, ou AACP.

L'air ascendant du sommet débordant revient bientôt vers la troposphère, comme une balle qui accélère vers le bas après avoir atteint la crête. À la fois, l'air circule au-dessus du dôme dans la stratosphère, puis descend le côté abrité.

En utilisant des simulations informatiques d'orages supercellulaires idéalisés, O'Neill et ses collègues ont découvert que cela excite une tempête de vent descendante à la tropopause, où la vitesse du vent dépasse 240 miles par heure. " L'air sec descendant de la stratosphère et l'air humide montant de la troposphère se rejoignent dans ce très étroit, jet ultra-rapide. Le jet devient instable et le tout se mélange et explose en turbulences, " a déclaré O'Neill. "Ces vitesses au sommet de la tempête n'ont jamais été observées ou hypothétiques auparavant."

Saut hydraulique

Les scientifiques reconnaissent depuis longtemps que le dépassement des sommets des tempêtes d'air humide s'élevant dans la haute atmosphère peut agir comme des obstacles solides qui bloquent ou redirigent le flux d'air. Et il a été suggéré que les vagues d'air humide circulant au-dessus de ces sommets peuvent se briser et projeter de l'eau dans la stratosphère. Mais aucune recherche à ce jour n'a expliqué comment toutes les pièces s'emboîtent.

La nouvelle modélisation suggère que l'explosion de turbulence dans l'atmosphère qui accompagne les tempêtes à panache se déroule à travers un phénomène appelé saut hydraulique. Le même mécanisme est en jeu lorsque des vents violents s'abattent sur les montagnes et génèrent des turbulences du côté de la pente descendante, ou lorsque l'eau dévalant doucement le déversoir d'un barrage éclate brusquement en mousse en rejoignant l'eau plus lente en dessous.

Leonardo DaVinci a observé le phénomène dans l'eau qui coule dès les années 1500, et les anciens Romains ont peut-être cherché à limiter les sauts hydrauliques dans les conceptions d'aqueduc. Mais jusqu'à présent, les scientifiques de l'atmosphère n'ont vu que la dynamique induite par la topographie solide. La nouvelle modélisation suggère qu'un saut hydraulique peut également être déclenché par des obstacles fluides dans l'atmosphère constitués presque entièrement d'air et qui changent de forme à chaque seconde, milles au-dessus de la surface de la Terre.

Les simulations suggèrent que le début du saut coïncide avec une injection étonnamment rapide de vapeur d'eau dans la stratosphère, jusqu'à 7000 kilogrammes par seconde. C'est deux à quatre fois plus élevé que les estimations précédentes. Une fois qu'il atteint le surmonde, l'eau peut y rester pendant des jours ou des semaines, influençant potentiellement la quantité et la qualité de la lumière solaire qui atteint la Terre via la destruction de l'ozone dans la stratosphère et le réchauffement de la surface de la planète. "Dans nos simulations qui présentent des panaches, l'eau pénètre profondément dans la stratosphère, là où cela pourrait avoir un impact climatique plus important à long terme, " a déclaré le co-auteur Leigh Orf, un scientifique de l'atmosphère à l'Université du Wisconsin-Madison.

Selon O'Neill, les avions de recherche à haute altitude de la NASA n'ont acquis que récemment la capacité d'observer les vents tridimensionnels au sommet des orages, et n'ont pas encore observé la production d'AACP à courte distance. "Nous avons maintenant la technologie pour aller vérifier nos résultats de modélisation pour voir s'ils sont réalistes, " O'Neill a déclaré. "C'est vraiment un bon point en science."