Tornades en Alabama : la trajectoire et les dégâts à Tuscaloosa vus par les satellites d’observation et les systèmes météorologiques

350 morts : c’est le dernier bilan des violentes tornades qui ont balayé le sud des Etats-Unis, les plus graves depuis 1932. C’est l’état de l’Alabama qui a été le plus touché avec au moins 45 victimes et plusieurs centaines de blessés dans la ville de Tuscaloosa.

Obama en Alabama :

Le président Barack Obama s’est rendu sur place. Il y a également de gros dégâts dans les états du Mississippi, du Tennessee, de Géorgie, de Virginie, de Louisiane et du Kentucky. C’est la catastrophe naturelle la plus meurtrière aux Etats-Unis depuis le passage de l'ouragan Katrina en 2005. Une première estimation des assureurs chiffre le coût des dommages assurés entre 2 et 5 milliards de dollars. Dans cette région, connue sous le nom de « couloir des tornades », l’envoyé spécial du Monde note dans un article paru le 30 avril, qu’une partie de population, pauvre, vit dans des logements préfabriqués ou des caravanes. L'image suivante, acquise par le satellite GeoEye, montre de manière frappante les dégâts à la fois très importants mais également très localisés géographiquement, comme un monstrueux coup de gomme au milieu de la ville.

Les dégâts des tornades dans un quartier de Tuscaloosa. Extrait d’une image acquise le 28 avril 2011
à 11h35 UTC par le satellite américain Ikonos. Cliquer sur l’image pour la voir en pleine résolution
(la résolution est de un mètre). Crédit image : GeoEye

Des centaines de maisons ont été détruites et la manière dont les voitures et les maisons sont écrasées ou réduites en miettes est très impressionnante. Ceux qui se souviennent des images des dégâts de la tornade qui a frappé Hautmont en août 2008 verront certainement une ressemblance entre les deux évènements.

Digital Globe, la société qui exploite les satellites Quickbird et Worldview, a également publié des images acquises le 29 avril 2011. Une des images publiées couvre un champ plus large et montre de manière très spectaculaire la "cicatrice" laissée par la tornade.

Extrait d’une image acquise le 29 avril 2011 par le satellite américain Worldview. Cliquer sur
l'image pour la voir dans son format d'origine. Crédit image : DigitalGlobe

Une image d’archive, provenant également du satellite Ikonos mais acquise cinq ans plus tôt, permet de bien mesurer l’étendue des dégâts sur les habitations, les routes et les différents équipements urbains à Tuscaloosa.

Deux images de la ville de Tuscaloosa prises avant et après le passage des tornades du 27 avril 2011.
A gauche, une image d’archive acquise par le satellite Ikonos le 4 avril 2006. A droite, l’image acquise
le 28 avril 2011. La résolution est réduite d’un rapport 2,5 environ par rapport à l’image d’origine.
Crédit image : GeoEye

Ces deux images constituent un bon exemple des données satellites utilisées pour les operations de cartographie rapide après une catastrophe naturelle afin de caractériser son étendue et la nature des dommages. C’est ce que font par exemple les equipes du service européen GMES SAFER lorsqu’il est activé par les services de sécurité civile ou les organisations humanitaires. En général, on préfère néanmoins avoir une image d'archive plus proche de la date de l'évènement afin que les changements constatés soient le plus possible causés par la catastrophe et non, par exemple, par l'évolution de l'urbanisation. La clé est donc ici la richesse des archives...

Une situation météorologique vue depuis l'espace :

L’image suivante, prise par le satellite européen METOP le 28 avril 2011 à 15h40 UTC, montre le large front qui s’étend du golfe du Mexique à la Caroline du Sud et qui se déplace vers le sud-est. On distingue au nord de la Floride les grandes cellules convectives.

Image acquise par le capteur AVHRR du satellite européen Metop-A. Pour cette représentation
colorée, les bandes spectrales 1, 2 et 4 sont affectées aux canaux rouge, vert et bleu. Le quadrillage
et la toponymie sont surposés à l'image. Cliquer sur l'image pour en voir un extrait en plus grande
taille. Crédit image : Eumetsat.

En complément des données fournies par les satellites, la trajectoire des tornades peut également être reconstituée à partir du réseau de radars météorologiques installés sur le territoire américain (National Weather Service, NWS). On utilise dans ce cas des radar Doppler, qui mesurent non seulement la direction et la distance d’une cible mais également sa vitesse radiale, en exploitant l’effet Doppler : la différence de fréquence entre l’onde émise et l’onde réfléchie est caractéristique de cette vitesse.

Le laboratoire NSSL (National Severe Storms Laboratory) qui fait partie des services de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) a ainsi publié une carte illustrant les trajectoires des tornades du 27 avril 2011. Cette carte a été produite le système d’alerte et d’aide à la décision pour les événements météorologiques extrêmes (WDSS-II pour Warning Decision Support System – Integrated Information) qui combine des données issues de nombreux capteurs (radars météorologiques, images satellites, détecteurs de foudre, mesures au sol)

Carte des trajectoires des tornades du 27 avril 2011. Sur cette illustration, les lignes de couleurs
rouge, orange ou jaune clair montrent les trajectoires où la vitesse de rotation était la plus forte.
Crédit image : National Severe Storms Laboratory (NSSL / NOAA)

L'échelle de Fujita : l'intensité des tornades en fonction des dégâts qu'elles causent

Les vents des tornades les plus violents sont beaucoup plus forts que ceux des cyclones les plus intenses (catégorie 4 ou 5 de l'échelle Saffir-Simpson).

Une échelle, destinée à classer la gravité des tornades en fonction des dégâts qu'elles occasionnent, a été créée en 1971 par le professeur Théodore Fujita de l'Université de Chicago, en collaboration avec le météorologue Allan Pearson. L’échelle est connue sous le nom d’échelle de Fujita ou échelle de Fujita-Pearson. Les niveaux vont de F0 à F5. Une version améliorée pour mieux prendre en compte la nature des dégâts (28 indicateursà a été adoptée depuis 2007. Elle classe les tornades en six catégories de EF0 à EF5 (EF pour Enhanced Fujita).

Environ 1000 tornades par an aux Etats-Unis dont une majorité dans le couloir des tornades

Seulement 2% d'entre elles, soit environ 20 tornades par an, relèvent des catégories F4 ou F5. La NOAA estime qu'il y a eu 312 tornades entre le 26 et le 28 avril 2011, beaucoup plus que le précédent record de 148 tornades entre le 3 et le 4 avril 1974.

La fréquence des tornades est plus élevée au centre des Etats-Unis : l’air polaire continental, canalisé vers le sud-est par les montagnes rocheuses, rencontre l’air tropical marin en provenance du golfe du Mexique. Au printemps, la différence de température entre les deux masses d’air est maximale, créant ainsi des conditions atmosphériques instables propices à la formation d’orages violents.

Carte expliquant les conditions météorologiques créant le couloir des tornaudes aux Etats-Unis
(tornado alley). Crédit image : NOAA.

Cette atmosphère fortement instable, avec une température qui décroit rapidement avec l’altitude et une importante variation du vent avec l’altitude (cisaillement de vent). remplit toutes les conditions pour donner naissance à des « super-cellules », des orages particulièrement violents, susceptibles eux-mêmes de donner naissance à des tornades en quatre étapes :

1. Une condition de base est la présence d’un cumulonimbus, un nuage d’orages très convective, qui se forme avec de l’air chaud et humide à la base, mis en mouvement par le rayonnement solaire. En prenant de l’altitude, la vapeur d’eau de l’air chaud et humide s’élève et se condense au contact de l’air froid : le cumulonimbus se forme alors.  
2. A l'intérieur du cumulo-nimbus, les cisaillements du vent donnent naissance à des "rouleaux" horizontaux.
3. Un des "rouleaux" peut être soulevé par les ascendances dans le nuage et se transformer en tourbillons d'axe vertical.
4. Selon les conditions, l'un de ces tourbillons peut se transformer en tornade.
   

L’apparition d’une excroissance conique à la base du nuage vers le sol et un bruit de soufflerie ou de réacteur d'avion en sont les signes avant-coureurs. La dépression intense au centre de la tornade agit comme un gigantesque aspirateur, en laissant malheureusement beaucoup de débris... C’est le tuba (ou vortex) qui est la manifestation la plus impressionnante d’une tornade. Il est alimenté par les débris des dégâts que cause la tornade.

En savoir plus :

• Le site Internet du NSSL (National Severe Storms Laboratory, NOAA) pour la production de cartes à la demande.
  
• Le site de la société GeoEye.
• Le site de la société DigitalGlobe.
  
• Le site d’Eumetsat.
• Sur le site de Météo France, des explications sur la formation des tornades et une page sur la tornade qui a frappé Hautmont le 3 août 2008.
• Sur le site de la NOAA, les pages (en anglais) sur les tornades du 27 avril 2011 et, en particulier des images de Tuscaloosa prises par un avion de la NOAA après la tornade. Une foire aux questions (en anglais) sur les tornades.
• Sur Youtube, une vidéo des images de satellites météo montrant le passage du front et des tornades aux Etats-Unis.
  
• Funnel, un blog spécialisé sur les tornades, avec des explications très claires. Il a visiblement été fait dans le cadre d'un TPE par un passionné de météorologie en général et de tornades en particulier. Des informations de référence à lire et même une description d'expérience pour comprendre la façon dont se crée une tornade... C'est rassurant de constater que des élèves apprécient encore la pratique expérimentale !
• Sur le site FFME (Fédération Française de la Montagne et de l'Escalade), une autre page pédagogique sur les tornades (dans les fiches techniques sur la météorologie).
• Un site perso "la climatologie", créé par Williams Fondevilla et une page sur les tornades.
  

Suggestions d'utilisations pédagogiques en classe :

• A partir des deux images satellites, avant et après le passage de la tornade sur Tuscaloosa, travail en classe de cartographie rapide des dégats par photointerprétation.
• On peut le faire soit de manière individuelle ou par petit groupe avec des impressions papier des deux images ou en les visualisant sur un ordinateur (par exemple en créant deux diapositives Powerpoint et en prenant soin de rendre les images superposables, on peut ainsi passer facilement de l'une à l'autre pour les comparer puis dessiner les limites des zones touchées). Il est intéressant dans ce cas de comparer les résultats des groupes d'élèves et d'analyser ensemble les raisons des différences.
• Une autre possibilité est un travail collectif en projetant les deux images avec un vidéoprojecteur sur un tableau blanc et de démander à un ou plusieurs élèvers de délimiter au feutre sur l'écran les limites des zones touchées par la tornade. Dans ce cas, l'intérêt est davantage de ses poser des questions sur la méthode utilisée pour la cartographie (zonage grossier puis plus précis par exemple) et sur les critères utilisés pour dire qu'une zone est touchée ou non. Faire travailler également les élèves sur ce qui doit apparaître sur la carte des résultats selon l'usage qui est en fait : intervention de la protection civile juste après la crise, inventaire des dégâts pour les assureurs, etc.
• Travail en classe ou TPE sur les tornades, les tempêtes, les cyclones et les phénomènes météorologiques extrêmes.