Un spécialiste de la Terre étudie pourquoi les États-Unis comptent tant de tornades

Dans tout le Midwest, pendant les mois les plus chauds, étudier le ciel à la recherche de signes de tempêtes et de tornades devient l’un des passe-temps les plus populaires.

Dan Chavas, professeur agrégé au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du Collège des sciences de l’Université Purdue, va plus loin : chaque jour, il étudie ce qui fait fonctionner les tornades. Travaillant à l’intersection de la science du climat et de la météorologie, il examine la situation dans son ensemble sur les causes des tempêtes et des tornades violentes et sur ce qui détermine l’endroit où elles se produisent.

“J’étudie à la fois le climat et les conditions météorologiques extrêmes”, explique Chavas. “Mes recherches demandent : “Pourquoi avons-nous de violents orages ou tornades ?” Il y a des régions spécifiques sur Terre qui connaissent plus de tempêtes, plus de tornades que d’autres endroits. Qu’est-ce qui crée ces régions orageuses ?”

Les régions du centre et de l’est des États-Unis comptent parmi les régions les plus touchées par les orages violents et constituent le point chaud des tornades les plus dévastatrices et les plus fréquentes de la planète. Chavas utilise des modèles informatiques du monde réel pour mener des expériences afin de déterminer ce qui contribue à la formation de ces tempêtes.

“Nous avons des hypothèses vieilles de plusieurs décennies sur les causes des tempêtes”, dit-il. “Nous validons ces hypothèses et déterminons ce qui fait de l’Amérique du Nord un point chaud.”

Bouger ciel et terre

Chavas n’est pas un chasseur de tempêtes. Il n’est pas là-bas dans une camionnette météorologique équipée de câbles satellite pour traquer les tempêtes individuelles à la recherche d’informations qu’elles pourraient fournir. Il ne peut pas non plus créer de tempêtes dans son laboratoire ou déclencher des tornades pour comprendre leur anatomie ou leur comportement.

Au lieu de cela, il exploite des décennies de données historiques riches et détaillées et de modèles informatiques complexes pour imaginer et tester des scénarios de simulation. C’est un testeur de tempêtes.

“Nous utilisons des modèles météorologiques et climatiques, ainsi que de vastes bases de données sur les orages, les éclairs, les données atmosphériques et bien plus encore, pour nous demander : “Et si le monde était différent ?”, explique Chavas. “Nous pouvons utiliser ces modèles comme laboratoires pour poser des questions. des questions telles que « Qu’arrive-t-il au temps si vous aplatissez les montagnes Rocheuses ? » Et si vous remplissiez le golfe du Mexique ? Quels aspects des configurations continentales et montagneuses modernes sont réellement importants ? Testons réellement cette sagesse conventionnelle dominante.'”

Ces deux hypothèses – aplatir les Rocheuses et combler le golfe du Mexique – sont au centre des études menées par Chavas et son équipe.

Depuis plus de 50 ans, la sagesse établie veut que le golfe du Mexique, une source d’air chaud et humide circulant à l’est des montagnes Rocheuses, joue un rôle majeur dans la formation des tornades en Amérique du Nord. Mais personne n’en était sûr.

« C’était une hypothèse très raisonnable », explique Chavas. « Il y avait beaucoup d’explications tout à fait raisonnables. Mais personne n’avait pu tester ces idées vieilles de 50 ans, car elles avaient été formulées à une époque où il n’existait pas de modèles climatiques dotés de la puissance de calcul nécessaire. Maintenant, nous pouvons vraiment commencer à comprendre la physique de la situation. »

Lorsque son équipe a pratiquement comblé le golfe du Mexique avec des terres, elle a constaté que l’assèchement du golfe du Mexique avait une incidence bien moindre sur la fréquence et la gravité des tempêtes que prévu. Sans le golfe du Mexique, les orages violents se sont déplacés vers l’est, des grandes plaines centrales vers l’Illinois, bien qu’ils aient été réduits dans le sud du Texas.

“Des orages violents et des tornades se forment dans des environnements contenant des ingrédients spécifiques qui déterminent la façon dont la température, l’humidité et surtout la vitesse et la direction du vent changent avec la hauteur dans l’atmosphère”, explique Chavas.

“Le climat détermine où et quand ces ingrédients peuvent être trouvés ensemble pour produire ce type de tempêtes. Les modèles informatiques nous permettent de comprendre pourquoi ces ingrédients sont là en premier lieu et quel rôle ils jouent chacun dans le temps que nous observons.”

Dans sa plus récente étude avec l’étudiant diplômé Funing Li, publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesl’équipe a comparé le potentiel de temps violent en Amérique du Nord, célèbre pour ses tornades, avec l’Amérique du Sud, qui a une géographie similaire à celle de l’Amérique du Nord et également de nombreux orages violents, mais beaucoup moins de tornades.

Ils ont découvert que la rugosité de la surface du sol à l’est des Andes, déterminée en partie par les collines et les grands arbres de la région amazonienne, pourrait jouer un rôle important dans la prévention des tornades dans le centre de l’Amérique du Sud. En revanche, en Amérique du Nord, de nombreuses tornades se forment à l’est des Rocheuses, où l’air arrive de la surface océanique beaucoup plus lisse du golfe du Mexique.

L’équipe a d’abord utilisé des expériences de modèles climatiques dans lesquelles l’Amérique du Sud équatoriale était lissée pour ressembler à la surface d’un océan, ce qui augmentait considérablement le potentiel de tornade du centre de l’Amérique du Sud. Ils ont également réalisé des expériences dans lesquelles la région du golfe du Mexique a été rendue rugueuse pour ressembler à une surface boisée, ce qui a fortement supprimé le potentiel de tornade en Amérique du Nord.

“Une surface rugueuse en amont signifie qu’en aval, le vent ne change plus de vitesse et de direction avec une hauteur très forte près de la surface, ce que nous appelons” cisaillement du vent “”, explique Chavas. “Cela ne change rien aux ingrédients des orages violents, mais le cisaillement du vent dans un kilomètre d’air au-dessus du sol est un ingrédient essentiel des tornades.”

Avertissement de tempête

La météo réelle et les applications du monde réel fascinent Chavas, une fascination née après qu’un arbre arraché par une tempête soit tombé sur sa maison dans le Wisconsin alors qu’il avait 4 ans.

Les implications concrètes de ses recherches – quel sera le temps qu’il fera la semaine prochaine, le mois prochain, l’année prochaine et le siècle prochain – sont ce qui le motive.

“Si nous voulons comprendre comment le changement climatique affectera le temps à l’avenir, nous devons d’abord comprendre comment le climat détermine le temps”, explique Chavas. “Nous ne comprenons pas très bien comment le climat contrôle les conditions météorologiques extrêmes que nous connaissons.”

Comprendre comment la rugosité de la surface et l’utilisation des terres modifient le temps, par exemple, pourrait permettre aux futurs humains de mieux prédire, voire d’influencer partiellement, les régimes météorologiques. Si les terres accidentées de l’Amazonie, y compris une partie des arbres de l’Amazonie, protègent l’Amérique du Sud des tornades, la repousse des forêts de l’est des États-Unis pourrait-elle également affecter les tornades ?

Le changement climatique affecte les modèles d’écoulement de l’atmosphère et la répartition de l’humidité sur terre, explique Chavas.

“Si nous modifions la surface terrestre et la trajectoire de l’air venant du golfe du Mexique, cela pourrait avoir un impact direct sur ces ingrédients qui donneraient naissance à des tornades plus à l’intérieur des terres. Lorsque nous pensons au changement climatique, nous pensons qu’il devient plus chaud. et la terre devient plus sèche.

“Mais si le courant-jet change l’endroit et la rapidité avec laquelle l’air circule à l’intérieur des terres, il peut changer l’endroit et la manière dont les tornades se forment. Les endroits qui ne les voyaient pas auparavant pourraient en voir davantage, et les endroits qui en avaient plus pourraient en voir moins”, dit-il. “Nous devons comprendre la météo dès maintenant pour nous aider à mieux prévoir la météo du futur.”