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La puissance terrifiante et destructrice des tornades est aussi soudaine que violente. Aujourd'hui, les scientifiques écoutent les tornades pour mettre au point de nouveaux systèmes d'alerte précoce...
Tout commence par un bruissem*nt de feuilles, un sinistre grincement de charnières et le craquement des arbres voisins. Puis vient un grondement assourdissant comme celui d'un train de marchandises, le cri terrifiant des clous arrachés aux planches de bois et les bruits sourds et imprévisibles des débris qui volent. Ce sont les sons souvent décrits par les survivants des tornades qui racontent comment ils ont échappé à ces tempêtes.
Ils sont rarement prévenus, mais cela suffit souvent à sauver des vies.
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Il y a cependant un autre son qui accompagne les tornades et que nous ne pouvons pas entendre. Sa fréquence est si basse qu'il échappe à l'ouïe humaine, mais il pourrait permettre d'avertir plus tôt et plus précisément de l'arrivée de ces tempêtes destructrices.
Avec des vents pouvant atteindre 483 km/h, les tempêtes qui produisent des tornades génèrent des ondes sonores de basse fréquence - ou infrasons - qui peuvent parcourir des centaines de kilomètres.
L'écoute de ces signaux infrasonores ne pourra peut-être pas empêcher les tornades de raser des villes et de projeter des voitures dans les airs comme des jouets, mais elle pourrait déboucher sur un nouveau type de système d'alerte précoce susceptible de sauver des vies.
Des prévisions incertaines
Chaque année, environ 1 200 tornades laissent des traces de destruction aux États-Unis, la plupart d'entre elles se produisant dans les grandes plaines du centre du pays. Elles causent des dégâts de l'ordre de millions, voire de milliards de dollars US chaque année, et font en moyenne 87 victimes par an depuis 1951 (bien que le nombre de morts varie considérablement d'une année à l'autre). Selon la National Oceanic and Atmospheric Administration (Noaa), 76 personnes sont mortes dans environ 1 400 tornades aux États-Unis en 2023. Au moins 26 personnes ont été tuées dans le Mississippi lorsqu'une tornade d'une durée inhabituelle a endommagé plus de 2 000 maisons sur une trajectoire de 59 miles (94 km). En décembre 2023, deux personnes ont été tuées - une mère et son fils de deux ans - lorsque plusieurs tornades puissantes ont traversé le Tennessee. Le 14 mars, de puissantes tempêtes accompagnées de tornades ont balayé l'est de l'Indiana et l'ouest de l'Ohio, faisant au moins trois morts.
Pourtant, les tornades sont très difficiles à prévoir, car nous n'avons pas encore une idée claire des raisons pour lesquelles elles se forment ou non. Même lorsqu'elles se forment, la violente colonne d'air se comporte de manière erratique.
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Depuis des décennies, les météorologues s'efforcent d'identifier les tempêtes qui produiront des tornades et celles qui n'en produiront pas. Chris Nowotarski, professeur associé au département des sciences atmosphériques de l'université A&M du Texas, explique que si les experts parviennent assez bien à prévoir les conditions à grande échelle susceptibles de produire des tornades jusqu'à plusieurs jours à l'avance, il est plus difficile de prédire quand et où des tornades spécifiques se formeront. "Plusieurs tempêtes qui semblent capables de produire une tornade peuvent exister dans le même environnement favorable, mais seulement une ou deux produiront effectivement une tornade", explique-t-il.
La plupart des tornades destructrices naissent de "supercellules". Ces violents orages se forment à partir d'un courant ascendant rotatif persistant, appelé mésocyclone, qui génère de hauts nuages en forme d'enclume et provoque des phénomènes météorologiques violents, notamment de fortes pluies, des vents violents et de gros grêlons. Lorsque les conditions sont favorables, les courants descendants au sein de la tempête supercellulaire concentrent l'air en rotation dans les niveaux inférieurs de l'atmosphère. Finalement, l'air en rotation se concentre en une colonne étroite qui, lorsqu'elle atteint le sol, devient une tornade. Bien qu'il existe de nombreuses théories sur les causes de ce phénomène - comme les différences de température de l'air à l'extérieur de la tempête - les conditions exactes de formation d'une tornade ne sont pas entièrement comprises.
Le vent lui-même est invisible à l'œil nu. Les tornades ne deviennent visibles qu'en raison de la présence de vapeur d'eau qui se condense en un nuage en forme d'entonnoir à l'intérieur du tourbillon de la tornade, où la pression atmosphérique est plus faible, tandis que la poussière et les débris contribuent également à les rendre visibles.
Le radar Doppler permet de repérer les mésocyclones en formation, car l'eau transportée par ces tempêtes réfléchit le signal radar, mais les météorologues ne sont que rarement en mesure de repérer de véritables tornades à l'aide de cette technique. Cela signifie également que les alertes à la tornade qui reposent sur cette méthode se révèlent souvent être de fausses alertes, car les orages supercellulaires détectés à l'aide du radar ne produisent jamais de tornade, explique M. Nowotarski. Souvent, des observateurs au sol sont nécessaires pour vérifier si une tornade s'est formée.
De nombreux orages qui semblent "prêts" à produire une tornade ne le font jamais", ajoute le professeur associé au département des sciences atmosphériques de l'université A&M.
"Les fausses alertes sont problématiques, car une alerte à la tornade peut perturber des événements spéciaux, le travail et la vie quotidienne. Même si ce n'est pas aussi perturbant qu'une tornade, un trop grand nombre d'alertes de type 'garçon qui a crié au loup' encouragera le public à ne pas agir lors des prochaines alertes et à ne pas être préparé lorsqu'une tornade se produira réellement."
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Surveiller et détecter les tornades de manière cohérente
Les prévisionnistes ont également tendance à pécher par excès de prudence lorsqu'ils émettent des alertes - ce qui est compréhensible, car les conséquences d'une absence de mise à l'abri peuvent être mortelles. Mais les fausses alertes entraînent une certaine lassitude et peuvent être particulièrement problématiques dans les scénarios multirisques où les tornades se produisent au sein d'ouragans en phase d'atterrissage ou en même temps que des crues soudaines, explique M. Nowotarski.
Les prévisionnistes cherchent donc d'autres moyens de savoir si une tornade est en route.
Depuis les années 1970, les scientifiques écoutent les tornades et tentent de déterminer si elles produisent un son unique. Des données expérimentales suggèrent que des infrasons de basse fréquence, d'une gamme de 1 à 10 Hz, sont produits lorsqu'une tornade prend forme et tout au long de sa vie. Une série de mesures récentes effectuées sur une tornade près de Lakin, au Kansas, en mai 2020, a révélé que la tornade produisait un signal distinct et élevé entre 10 et 15 Hz. Dans certains cas, des réseaux de microphones détectant les infrasons se sont révélés capables de capter le bruit produit par les tornades à plus de 100 km de distance et ont également indiqué que les infrasons sont produits avant même le début de la tornadogenèse.
Les chercheurs espèrent qu'en écoutant ces bruits, il sera possible non seulement d'entendre une tornade arriver, mais aussi de la prédire jusqu'à deux heures avant qu'elle ne se forme.
Depuis 2020, une équipe de l'université d'État de l'Oklahoma teste le pouvoir prédictif des infrasons à l'aide d'équipements installés dans des véhicules de recherche de tornades. Leur kit portable, le Ground-based Local Infrasound Data Acquisition, ou système "Glinda", fait référence à un personnage du Magicien d'Oz. Ils espèrent que cet équipement aidera les chasseurs de tornades à mieux surveiller le développement des tornades en temps réel, mais il doit être déployé au bon endroit et au bon moment.
Certains chercheurs travaillent cependant sur des systèmes qui peuvent être laissés sur place pour surveiller en permanence les tornades. Un groupe, dirigé par Roger Waxler, scientifique principal au National Centre for Physical Acoustics (NCPA) de l'université du Mississippi, prévoit de déployer quatre réseaux permanents de capteurs de haute technologie dans le sud du Mississippi pour détecter les signaux infrasonores. Ils espèrent que ce système permettra de surveiller et de détecter les tornades de manière cohérente.
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"L'analyse d'années de données collectées au cours des saisons des tornades ne laisse guère de doute sur le fait que les tornades émettent un signal infrasonore qui peut être détecté par un réseau de capteurs d'infrasons et suivi à grande distance", explique M. Waxler. "Cela nous conforte dans l'idée que la trajectoire d'une tornade peut être déterminée à partir de détections simultanées d'infrasons sur plusieurs réseaux."
Les réseaux que lui et son équipe sont en train de déployer devraient rester actifs pendant au moins trois saisons de tornades, ce qui, espèrent-ils, leur permettra d'analyser les données infrasonores en temps réel.
L'équipe de M. Waxler a d'abord recueilli des preuves à l'appui de sa théorie des infrasons en utilisant des capteurs conçus à l'origine pour détecter les essais clandestins d'armes nucléaires. "Ils sont considérés comme étant à la pointe de la technologie pour la détection des signaux provenant d'explosions extrêmement importantes", explique M. Waxler.
Après qu'une épidémie de tornades a frappé l'Oklahoma en 2011, son équipe a examiné les données qu'elle avait recueillies et a pu suivre une tornade particulière dans une tempête de type EF4 sur 161 km. "Dans ce cas, la tornade s'est suffisamment rapprochée pour que son signal soit très fort", signale-t-il. Au départ, les chercheurs avaient commencé à poursuivre les tornades et à déposer des capteurs aussi près qu'ils le pouvaient, ce qui, il l'admet, était une "idée horrible" et a conduit son équipe à mettre au point des réseaux fixes de détection des tornades.
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Plus récemment, en 2020, les chercheurs ont utilisé leurs réseaux de capteurs dans le nord de l'Alabama pour détecter presque toutes les tornades qui ont traversé la région.
L'une des préoccupations concernant les éventuels systèmes d'alerte précoce par infrasons est de savoir s'ils seront capables de faire la distinction entre les signaux des tornades et le bruit général d'une tempête. Mais les chercheurs affirment qu'ils peuvent voir un signal clair. "Nous avons même un cas où la nature du signal a changé, et nous avons pu voir que la tornade était dans l'air", poursuit M. Waxler, estimant qu'"il serait avantageux de pouvoir distinguer les tornades au sol de celles dans les airs".
D'autres défis doivent être relevés. Le bruit du vent peut interférer avec les mesures d'infrasons et il n'est pas certain que les infrasons puissent différencier de manière fiable les différents types de tempêtes. "Une étude récente suggère que les tempêtes tornadiques et non tornadiques peuvent produire des signatures infrasonores très similaires, de sorte que le potentiel d'utilisation des infrasons pour repérer les tornades potentielles pourrait être limité", analyse M. Nowotarski.
"L'objectif est de sauver des vies"
Roger Waxler explique que certaines sources d'infrasons dans les orages, comme le tonnerre, peuvent être facilement distinguées. "Le tonnerre présente des caractéristiques spectrales différentes, [tels que l'intervalle entre les impulsions, l'amplitude et la longueur d'onde] - il est facile de dire qu'il ne s'agit pas d'une tornade", explique-t-il. Mais le scientifique principal au NCPA de l'université du Mississippiil admet qu'il est difficile de faire la différence entre les tornades et les supercellules qui ne produisent pas de tornades. Cela peut s'expliquer en partie par le fait que certaines supercellules produisent des tornades mais ne sont pas repérées par les témoins oculaires de manière à corroborer les signaux infrasonores. "Nous avons besoin de plus de données", précise M. Waxler.
Un avertissem*nt juste
Roger Waxler et son équipe espèrent que leur expérience de dix ans débouchera sur un système d'alerte précoce efficace pour les tornades, en particulier lorsqu'il sera associé à d'autres sources telles que le radar doppler.
"Il n'est pas déraisonnable de penser que nous pourrions localiser une tornade sur la moitié d'un terrain de football", ajoute le scientifique. "J'imagine une carte sur une application avec un point indiquant qu'une tornade arrive sur South Lamar [Avenue, par exemple]."
Les alertes se sont améliorées au cours des dernières décennies : de 2003 à 2017, 87 % des tornades mortelles ont été précédées d'une alerte préalable, mais les gens n'ont en moyenne que 10 à 15 minutes pour trouver un abri.
Une étude basée sur des entretiens avec 23 survivants de deux tornades meurtrières révèle que les gens essayent d'évaluer le risque de tornade et d'y répondre au fur et à mesure que la situation évolue, mais que certains n'ont pas d'endroit où s'abriter facilement. Les experts estiment que les alertes à la tornade sont trop souvent ignorées en raison de la "fatigue de l'alerte" créée par les fausses alertes et les heures de couverture télévisée des tempêtes. Une étude démontre que 37 % des personnes interrogées ne comprennent pas la nécessité de prendre des mesures de précaution lors d'une alerte à la tornade.
M. Waxler espère qu'un système d'alerte précoce plus précis pourrait changer la façon dont les gens réagissent lorsqu'ils entendent qu'une tempête approche. "Plutôt que d'aller se cacher dans sa baignoire ou dans sa cave, il serait peut-être préférable de prendre sa voiture et de rouler si l'on sait où se trouve une tornade. L'objectif est de sauver des vies."
