Une simulation nous plonge au cœur de la formation d’une tornade

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Quand Leigh Orf, spécialisé dans les sciences de l’atmosphère à l’université du Wisconsin-Madison (États-Unis), s’efforce de démêler les mystères de la formation des tornades, il a besoin de quelque chose d’un peu plus puissant qu’un simple ordinateur portable. Les phénomènes, comme les énormes orages supercellulaires qu’il étudie, impliquent des quantités tellement importantes de données, que seul un supercalculateur saura les mettre en image.

Orf veut répondre à ce qui est pour lui une question clé en météorologie : “Pourquoi certaines de ces tempêtes produisent-elles de dévastatrices tornades ?”. A cette fin, il s’est tourné vers la simulation des conditions entourant une tornade très réelle, très puissante et durable qui a frappé l’Oklahoma le 24 mai 2011. La tempête a causé des dégâts considérables le long d’une trajectoire de 101 km, tuant neuf personnes et en blessant 161 autres. Elle a été classée EF-5 au sommet de l’échelle de Fujita.

Sa simulation, réalisée récemment à l’aide du supercalculateur Blue Waters de l’université de l’Illinois, impliquait la modélisation d’un bloc d’espace tridimensionnel d’environ 120 km de large, 120 km de long et de 20 km de haut. Pour le modèle informatique, cet espace a été à son tour décomposé en 1 839 200 000 morceaux plus petits, dont de nombreux cubes qui mesurent environ 30 m de côté.

Dans chacune de ces parties de l’espace, l’ordinateur simule des facteurs comme la vitesse et la direction du vent, la température, la pression barométrique, l’humidité et les précipitations comme la neige, la grêle et la pluie. La simulation a nécessité environ trois jours de calcul sur 20 000 cœurs du supercalculateur. Au final, l’objectif est de mieux comprendre la formation de ces puissantes tornades parfois engendrées par de puissants orages.

Selon Leigh Orf :

Pour la première fois, nous avons pu étudier le fonctionnement interne d’une supercellule qui produit une tornade, et nous sommes en mesure de voir ce processus se produire. Nous avons la tempête, et nous pouvons voir tout ce qui se passe à l’intérieur. Donc à peu près tout est une découverte, car personne n’a encore fait cela avant, pas à cette échelle.

En regardant la simulation, Leigh Orf et ses collègues ont observé de nombreuses “mini tornades” se former au début de la tornade principale. Au fur et à mesure que le principal nuage en entonnoir a pris forme, les petites tornades ont commencé à fusionner, ajoutant de la force à la superstructure et augmentant la vitesse du vent. Finalement, une nouvelle structure, connue sous le nom de “streamwise vorticity current” (SVC), s’est formée à l’intérieur de la tornade.

La simulation a révélé plusieurs structures qui constituent une tornade, comprenant le “streamwise vorticity current” (SVC), estimé être le principal facteur de l’activité tornadique (en jaune). (Université d’UW-Madison)
Simulation tornade UWM

Toujours selon Leigh Orf :

Le SVC est composé de l’air refroidi par la pluie qui est aspiré dans le courant ascendant qui alimente l’ensemble du système. On pense que c’est un élément crucial dans le maintien de la tempête exceptionnellement forte, mais de façon intéressante, le SVC ne rentre jamais contact avec la tornade. Au contraire, il se dirige vers le haut et autour d’elle.

Sur le site de l’université de Wisconsin-Madison : A scientist and a supercomputer re-create a tornado.

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