Dans la nuit du 10 au 11 décembre, une série de puissantes tornades a balayé une partie de l’Arkansas, du Mississippi, du Missouri, du Kentucky, du Tennessee et de l’Illinois, laissant une traînée de destruction de mille kilomètres de long. Des dizaines de personnes sont mortes et les dégâts se chiffrent en milliards. Les tornades comptent parmi les phénomènes météorologiques les plus meurtriers et les plus destructeurs de la planète. Pourtant, en 2021, elles restent un mystère – et elles sont notoirement difficiles à prévoir.

Le 10 décembre, un puissant système de tempête s’est approché du centre des États-Unis par l’ouest. Alors que cette tempête a apporté de fortes chutes de neige et de grésil dans l’ouest et le nord du Midwest, des régions plus froides, le sud a bénéficié d’une chaleur quasi record, grâce à l’air chaud et humide qui s’est déplacé vers le nord depuis le golfe du Mexique. Lorsque des masses d’air chaud et froid entrent en collision, l’air chaud moins dense s’élève vers les niveaux plus frais de l’atmosphère. Lorsque cet air chaud se refroidit, l’humidité qu’il contient se condense en nuages et des tempêtes peuvent se former.

Lorsque cette instabilité est combinée à un important cisaillement du vent – un vent qui change de direction et de vitesse à différentes altitudes dans l’atmosphère – elle peut créer les conditions idéales pour l’apparition de fortes tempêtes tournantes – en d’autres termes, des tornades.

A partir de 1925

Il y en aurait eu au moins 28 dans la nuit du 10 au 11 décembre, dont l’une qui aurait parcouru près de 400 kilomètres à travers quatre États. C’est très inhabituel. La plupart des tornades restent au sol peu de temps et parcourent de courtes distances – 5 à 6 kilomètres en moyenne. Les tornades longues et très longues – c’est-à-dire les tornades qui parcourent respectivement au moins 40 et 160 kilomètres – sont relativement rares. Elles représentent moins de 1 % de toutes les tornades aux États-Unis. Le précédent record pour une tornade à longue trajectoire remonte à 1925, lorsque la Tri-State Tornado avait parcouru 350 kilomètres à travers le Missouri, l’Illinois et l’Indiana. La Quad-State Tornado, comme on appelle la tornade du week-end dernier, devrait battre ce record.

Les tornades sont relativement fréquentes dans la partie centrale des États-Unis, avec une moyenne d’environ un millier par an. La région connue sous le nom de Tornado Alley, qui s’étend du centre du Texas à l’est du Nebraska et de l’Iowa, est celle qui en subit le plus, principalement au cours des mois d’avril, mai et juin.

Des tornades se produisent aussi occasionnellement dans notre pays. Cependant, il y a une grande différence : elles sont beaucoup moins puissantes chez nous. Mais aux États-Unis, les tornades constituent un problème sérieux qui ne cesse de s’aggraver. En raison du réchauffement climatique, les tornades mortelles sont de plus en plus nombreuses et se produisent sur une zone plus étendue qu’auparavant.

Lien direct avec le réchauffement de la planète

Dans une étude récente, James Elsner, de l’université d’État de Floride, décrit comment les tornades deviennent plus puissantes. Et l’augmentation de la force des tornades est significative : 5,4 % par an de 1994 à 2016. Ses conclusions sont étayées par les rapports officiels des services météorologiques américains sur les tempêtes, qui montrent tous une tendance à la hausse de la puissance des tornades et dont on peut également déduire que ces dernières empruntent des trajectoires de plus en plus longues et larges.

L’étude montre qu’il existe un lien direct entre le réchauffement et le nombre et la force des tornades : la combinaison d’une augmentation de la chaleur et de l’humidité, de l’énergie potentielle convective disponible (CAPE) et d’une augmentation du cisaillement du vent. En d’autres termes, lorsque la chaleur, l’humidité et les vents erratiques se conjuguent au plus haut niveau, les tornades sont plus fortes.

Les conditions qui provoquent les tornades seraient facilitées par une modification du courant-jet. En raison du réchauffement rapide de l’Arctique, la différence de température entre le nord et le sud s’est réduite. Cela réduit les différences de pression entre l’Arctique et les latitudes moyennes et affaiblit les vents du courant-jet.

Et tout comme les rivières qui coulent lentement ont tendance à faire des méandres, un courant-jet qui coule plus lentement a aussi tendance à s’étaler. Les grandes ondulations nord-sud du courant-jet génèrent de l’énergie dans l’atmosphère. C’est d’ailleurs le même processus qui a été à l’origine du vortex polaire qui a frappé les États-Unis au début de l’année.

De plus en plus intense, mais pratiquement aucun progrès pour les prévoir depuis 10 ans

Au cours des dernières décennies, les tornades se sont également déplacées : elles se produisent relativement moins en Oklahoma, au Texas et au Kansas, la traditionnelle Tornado Alley, mais davantage en Illinois et dans d’autres États le long du Mississippi et plus à l’est.

De plus en plus intense, donc, mais – et c’est un problème supplémentaire – pas plus facile à prévoir. Au contraire. En 2011, le délai moyen de réception des alertes à la tornade était d’environ 13 minutes. Mais maintenant, ce chiffre est tombé à 8,4 minutes. Pensez-y : si vous aviez moins de neuf minutes pour vous préparer, que pourriez-vous faire ?

Ce n’est pas que nous ayons régressé en termes de prévision – il y a simplement plus de tornades. Mais il n’y a pas eu non plus de véritable progrès au cours des dix dernières années. Ce manque de progrès en matière d’alertes aux tornades est frustrant quand on sait à quel point les météorologues sont devenus performants dans la prévision d’autres phénomènes météorologiques violents, notamment les ouragans. En 2019, les prévisions du National Hurricane Center étaient plus précises trois jours avant une tempête que les prévisions de 1990 ne l’étaient un jour à l’avance.

Pourquoi sont-elles si difficiles à prévoir ?

Pourquoi est-il si difficile de prévoir quand une tornade va frapper ? Les scientifiques savent que les tornades naissent principalement d’énormes et violents orages supercellulaires, des tempêtes particulièrement violentes qui tournent comme des mini-ouragans. Ces tempêtes sont particulièrement fréquentes dans le centre et le sud-est des États-Unis, où l’air humide et chaud du golfe du Mexique rencontre l’air sec de l’ouest et du sud-ouest. Ils se forment principalement au printemps et au début de l’été.

Le problème est que les météorologues peuvent observer deux orages supercellulaires qui semblent identiques et seul l’un d’entre eux provoquera une tornade. C’est également la raison pour laquelle le pourcentage de fausses alertes aux tornades est si élevé : les prévisionnistes ne peuvent tout simplement pas dire facilement quand une tempête qui semble pouvoir provoquer une tornade le fera effectivement.

Les scientifiques comprennent les ingrédients nécessaires à la création du type de tempêtes supercellulaires qui produisent les tornades les plus violentes. Il y en a quatre. Il faut beaucoup d’humidité dans l’atmosphère et beaucoup de cisaillement du vent, c’est-à-dire des variations de la vitesse et de la direction du vent (c’est ce qui crée une tempête). Il faut également une instabilité atmosphérique, qui peut provoquer des courants ascendants, et un mouvement d’air ascendant ou descendant qui fait tourner la tempête selon un axe vertical.

Mais la cause d’une tornade se situe à une échelle beaucoup plus petite – peut-être au niveau des molécules individuelles dans l’atmosphère – et est fortement influencée par les particularités de la géographie locale. Même les arbres peuvent perturber la circulation de surface, contrairement aux prairies, et cela peut influencer la formation des tornades. Les conditions atmosphériques qui provoquent une tornade en Oklahoma ne provoqueront pas nécessairement une tornade en Alabama.

Nous ne savons même pas comment elles se forment

De nombreuses tempêtes produisent même des vents tournants sans aboutir à une véritable tornade. La question que les météorologues tentent de résoudre est de savoir comment, quand et pourquoi ces vents tournants atteignent un point où l’on obtient le tourbillon très étroit et intense que l’on appelle une tornade.

Il est possible (mais contre-intuitif) que les tornades se forment de bas en haut. Ils commencent comme une perturbation au sol qui se connecte ensuite vers le haut à l’orage. Il s’agirait d’un petit tourbillon à la surface qui, pour une raison quelconque, entre en contact avec le flux ascendant de l’orage. On obtient alors un effet semblable à celui d’une patineuse artistique faisant une pirouette : elle tire sur ses bras, s’étire et tourne de plus en plus vite.

Mais il est également possible que la tornade descende du nuage d’orage – ou une combinaison des deux. La tornade semble se former du haut vers le bas, en une seule fois.

Et pour l’instant, les scientifiques ne savent pas. Pourquoi ? À l’heure actuelle, les radars météorologiques ne peuvent tout simplement pas donner un bon aperçu des conditions rapides à relativement basse altitude qui conduisent aux tornades. Il semble que les processus qui déterminent la formation ou non des tornades se déroulent sur une échelle de temps d’une minute ou moins, et à seulement quelques dizaines de mètres de la surface, ce qui est une zone très difficile à balayer avec un radar.

Pour l’instant, c’est de la science-fiction

Selon les chercheurs, la seule façon d’améliorer les prévisions de tornades est de les affronter de front. Si les prévisions d’ouragans sont devenues si fiables au cours des dernières décennies, c’est parce que les scientifiques ont pu étudier intensivement chacun de leurs mouvements. Ils se déplacent plus lentement que les tornades et durent plusieurs jours. Nous pouvons faire voler des avions dans et hors du mur de l’œil de l’ouragan et collecter toutes sortes de données.

Les tornades, quant à elles, sont plus petites et de courte durée. Les scientifiques qui les étudient ne disposent pas de cette masse de données à intégrer dans leurs prévisions. Pour aggraver les choses, les tornades endommagent facilement les équipements scientifiques. Les capteurs, quels qu’ils soient, sont souvent détruits avant de pouvoir échantillonner ce que vous espérez collecter. Il est donc très difficile d’obtenir un ensemble complet de données sur le phénomène.

Ce qu’il faut, c’est une nouvelle percée. Un système qui permet de modéliser chaque molécule de l’atmosphère et de la mettre dans une simulation. Cette modélisation molécule par molécule peut sembler relever de la science-fiction aujourd’hui, mais elle pourrait être possible à l’avenir. Il existe des branches spécialisées de la physique où l’on fait littéralement cela, en modélisant chaque molécule, mais généralement dans de très petits volumes, jusqu’à un centimètre cube maximum. Il s’agit simplement d’augmenter cette capacité au fil du temps.