I/ Caractéristiques d'un ouragan

a) Définition d’un ouragan

On appelle ouragan un système de vents en rotation à très grande échelle : en général, la structure de ce système est une gigantesque masse nuageuse en spirale pouvant atteindre 2000 km de diamètre et 1400 km de diamètre en moyenne. De plus, leur hauteur varie entre 10 et 15 km.

Au centre de ce système se trouve un "œil" : c'est l'axe de rotation des vents dont le diamètre varie entre quelques kilomètres et 50 kilomètres. Dans cet œil, les vents atteignent rarement plus de 40 km/h et le ciel y est peu nuageux voire parfois même ensoleillé. Il y pleut rarement. C'est aussi le seul endroit sur Terre où l'on peut mesurer des pressions de 920 hPa au niveau de la mer. Il est séparé de la couronne extérieure par une limite appelée le “Mur de l’œil” . C’est l’endroit le plus calme dans un ouragan.

Schéma d'un ouragan

Une échelle à été inventée dans le but de mesurer et comparer la force des différents ouragans au fil du temps. C'est l'échelle de Saffir-Simpson, que l’on peut voir dans le tableau ci dessous : elle comporte six paliers. Quand un ouragan dépasse la catégorie 3 il est considéré comme un ouragan majeur ou intense. L’échelle de Saffir-Simpson permet de classer les ouragans selon leurs intensités et ainsi de prévoir leurs impacts sur l'environnement. Elle est basé sur la vitesse des vents. La vitesse des vents correspondent à la vitesse maximale mesurée ou estimée à 10 mètres au-dessus du sol pendant 1 minute. L’échelle de Saffir-Simpson a été créée en 1969 par Herbert Saffir un ingénieur civil et Robert Simpson un météorologue. Elle prend en compte la vitesse des vents, l'augmentation du niveau de la mer dus aux ondes de tempête crée par l'ouragan et les dommages et les inondations que l'ouragan risque de causer. L'échelle peut évoluer au fur et à mesure des années. Cette échelle est conçue pour les latitudes australes c'est à dire les latitudes situé entre l'équateur et le pôle sud.

Catégorie	Vitesse des vents	Montée du niveau de l'eau (si ouragan près des côtes)	Impact du cyclone sur l’environnement
1	119 à 153 km/h 64 à 82 nœuds	1,2 à 1,8 mètre	Dommages mineurs à moyens limités à la végétation et aux panneaux de signalisation ( inondations côtières, dégâts de lignes électriques pouvant créer des pannes d’électricité)
2	154 à 177 km/h 83 à 95 nœuds	1,8 à 2,7 mètre	Gros dommages en bord de mer, les quais et jetées sont endommagés ,les toitures, les fenêtres et les portes sont arrachées, les plaines et routes en bord de mer sont inondées .Des arbres sont arrachés et bloquent les routes. Les petits bateaux sont détachés de leurs amarres.
3	3 178 à 208 km/h 96 à 112 nœuds	2,7 à 4 mètre	Les arbres sont cassés et déracinés. Les côtes sont inondées (jusqu'à 15km dans les terres), les terrains côtiers sont endommagés par les vagues de débris. Les petites constructions en bord de mer subissent de graves dégâts. L’électricité et l'eau ne sont pas disponible pendant plusieurs jours.
4	209 à 251 km/h 113 à 136 nœuds	4,0 à 5,5 mètre	Près des côtes, le rez-de-chaussée est endommagé à cause des inondations. Les inondations créent d’importantes érosions sur la plage. Les plain-pieds à 400m des côte et les habitations d'un étage à 3,2 km côte sont évacuées. Les maisons peuvent perdre la majeur partie de leur toit et/ou leur mur extérieurs.
5	Plus de 252km/h Plus de 137 nœuds	Plus de 5,5 mètre	Les maisons sont détruites. Pour les habitations à deux étages le 1er étage est inondé. Les habitations situé de 8 à 16 km des côtes sont évacuées

Autour de l’œil (au delà du «Mur de l’œil») se trouve la zone la plus dangereuse de l'ouragan : la couronne extérieure. Son rayon peut atteindre 150 km. Les vents y sont également beaucoup plus forts : certaines rafales peuvent par exemple atteindre 350 km/h. Plus on s'éloigne de l’œil, plus les vents faiblissent et plus la pression atmosphérique augmente. Partout dans l'ouragan (sauf dans l’œil) on trouve de la pluie et des orages, ainsi que des vents violents et dangereux.

La durée de vie d'un ouragan varie entre quelques heures et une trentaine de jours. Ils se déplacent à une vitesse comprise entre 10 et 40 km/h. Le phénomène que l'on nomme ouragan dans l'Atlantique et à l'Est du Pacifique est nommé cyclone dans l'océan indien et typhon dans l'Ouest du Pacifique. Mais il s'agit bien du même phénomène.

La température des vents de Sandy sur le Canada

b) La formation de Sandy

Tout d’abord, il est bon de préciser qu’un ouragan se forme toujours en mer, et il se forme seulement si certaines conditions particulières sont réunies. La température de l’océan doit être d’au moins 26°C, l‘atmosphère doit être très humide, il ne doit pas avoir des variations de la vitesse du vent (ou très peu), il doit y avoir une dépression tropicale¹ ainsi que des cumulonimbus² ou des cumulus³ en quantité importante.

Nous avons réalisé une expérience en ajoutant ou retirant des facteurs de formations. Vous pouvez la retrouver sur la page des expériences, dans la première partie.

Les différentes étapes de formation d'un ouragan

Un cumulonimbus est un nuage très volumineux, et responsable de la pluie. Il est composé, comme tous les nuages, de micro-goutelettes d’eau mesurant à 1 à 100 μm de diamètre. Le cumulus, quant à lui, est un nuage fin, blanc, présent assez bas dans l’atmosphère.

La dépression tropicale est une perturbation violente avec des vents allant jusqu’à 33 nœuds (environ 61 km/h). C’est la première étape de le formation d’un ouragan, ensuite, si les vents atteignent une vitesse supérieure à 61 km/h, la dépression se transforme en tempête tropicale. Enfin si les vents sont supérieurs à 117 km/h, la tempête évolue afin de former le cyclone tel que nous l’étudions aujourd’hui.

Schéma d'un ouragan en formation

Géographiquement, les latitudes doivent se situer entre 5 et 8 degrés et l’océan doit faire au moins 50m de profondeur.

Cependant il est également arrivé que des cyclones se soient développés avec des température de surface de la mer inférieure a 25°C (par exemple Vince en 2005). Ces conditions sont malheureusement souvent réunies dans les pays chauds, c’est donc pour cela qu’ils sont très souvent touchés par ces catastrophes naturelles

L’ouragan se forme partir d’une ascendance d’air humide et chaud, (> à 26,5°C), provoquant une baisse de pression en dessous de lui , au niveau de la mer ainsi qu’une hausse de pression au niveau des sommets des nuages les plus développés (au niveau de la tropopause ⁴). C'est la naissance d'une dépression qui ne se creuse que si en altitude les particules d'air qui montent et affluent peuvent s'échapper.

Un cyclone se forme toujours en mer et a proximité de l'équateur, à cause d'une forte évaporation qui déclenche des vents convergents. L'air froid s'insinue sous l'air chaud qui le soulève. Ce qui a pour effet de creuser la dépression. L'air chaud entre donc en contact avec le Jet Stream (un vent de 400 km/h) ce qui accélère les vents. L’ouragan se crée à partir d'un amas nuageux ou une ligne de grains (bande de nuages orageux ou onde tropicale⁵).

Ces amas nuageux se trouvent entre les tropiques au niveau d'une vaste zone que l'on dénomme Zone Intertropicale de Convergence, qui varie suivant les saisons. Cependant, cela n'empêche pas certains cyclones de se développer, a partir de perturbations d'origines tempérées qui sont descendues en latitude et ont pris peu à peu des caractéristiques tropicales, le cœur froid devenant notamment un cœur chaud. L'évaporation de surface d’une grande quantité d'eau entretiendra la formation cyclonique.

Les vents doivent être relativement homogènes de la surface jusqu'aux sommets nuageux : c'est à dire avoir la même direction et la même force que l’ensemble du système. Sinon les vents vont se disperser et le système aura tendance à se cisailler.

Coupe d'un ouragan

Les courants d'air ascendants au cœur du système font baisser la pression atmosphérique en surface mais il n'y aura de dépression que si l'on est éloigné de l'équateur, à au moins 550km de part et d’autre de l’équateur. Si un cyclone se forme dans cette zone (de 1100km), il ne pourra pas entrer en rotation a cause de la force de Coriolis.

Dans le cas de Sandy, elle s’est formée dans des conditions classiques, dans la mer des Caraïbes (comme beaucoup d’ouragans) dans la journée du 22 octobre 2012, à partir d’une onde tropicale allongée ds la mer des caraïbes. Le 24 octobre, elle arrive en Jamaïque. Quand elle s’est dissipé, elle a parcouru au total 13 280 km, elle est passée par la Cuba, les Antilles, les Bahamas la côte Est des États-Unis pour enfin s’arrêter au Canada. Sa vitesse maximale à été de 180km/h et a fait beaucoup de dégâts matériels dont nous parleront plus tard.

Définitions :

1 : dépression tropicale

2 : Nuages blancs

3 : Nuages grisés responsable de la pluie

4 : lisière entre troposphère et stratosphère

5 : Perturbation tropicale associée à un axe dépressionnaire des couches basses et moyennes de la troposphère circulant d'est en ouest

Voici un accéléré de Sandy en vue Satellite

c) La force de Coriolis

La force de Coriolis donne la rotation a l’ouragan, c’est tout simplement la rotation de la Terre. Ainsi l’ouragan suit la rotation de la Terre.

La Terre tourne autour d'un axe nord-sud. Étant donnée la forme sphérique du globe terrestre, la vitesse linéaire d'un point de sa surface n'est pas constante et dépend de la latitude de ce point : elle augmente en partant d'un pôle, passe par un maximum à l'équateur, puis décroît jusqu'à l'autre pôle.

Donc, si un mobile descend du pôle nord à l'équateur, il va être confronté à la vitesse de déplacement de la Terre de manière croissante. En poursuivant sa route vers le pôle sud, il va à nouveau voir décroître cette vitesse.

Schéma de la force de Coriolis

Tout se passe comme si un marcheur partait du centre d'un manège pour rejoindre la périphérie, il va se sentir dévié dans le sens opposé au défilement du manège sous ses pas. L'accélération du défilement de droite à gauche fait qu'il va être déporté sur sa droite . Si, maintenant, le marcheur part de l'extérieur vers le centre du manège, le défilement de sa gauche vers sa droite va être de plus en plus lent : il sera donc dévié vers sa droite. Le sens de la déviation de Coriolis ne dépend pas du sens de déplacement du mobile sur laquelle elle s'exerce, mais uniquement du sens de rotation du support qui lui donne naissance.

De plus le déplacement est rapide, plus la déviation de Coriolis engendrée est importante. Comme la force de Coriolis donne aux cyclones leur rotation initiale, ceux-ci se forment donc rarement à moins de 5° de l'équateur cependant la formation d'un cyclone tropical à l'intérieur de cette limite est toutefois possible si une autre source de rotation initiale se manifeste. Ces conditions sont extrêmement rares et de telles tempêtes se forment, croit-on, moins d'une fois par siècle. En 2001, le typhon Vamei s'est formé à seulement 1,5° au nord de l'équateur, à partir d'une perturbation pré-existante et des conditions atmosphériques relativement fraîches reliées à la mousson. On estime que les facteurs qui ont mené à la formation de ce typhon ne se répètent que tous les 400 ans, puisqu’il est très difficile à un ouragan de se former sans la force de Coriolis ou lorsqu’elle est très faible.

Nous avons mis en évidence la force de Coriolis par une expérience, vous la retrouverez sur la page des expériences, dans la deuxième partie.

Un schéma expliquant la force de Coriolis d'un point de vue mathématique

La Formule de la force de Coriolis est la suivante :

F_c = (2Ω.v/r) m

- Ω est la vitesse angulaire, c’est a dire la dérivée de l’angle par rapport au temps, elle s’exprime en radian par seconde.

Ω = dθ/dt = 2π/T = 2πf

T est la période de rotation en secondes

f est la fréquence en en hertz

- v est la vitesse relative du corps en mouvement

v = Ω.R

- R est le rayon de la Terre

r = R.cos(Lat)

- m est la masse du corps

  Dans une seconde partie, nous allons parler des conséquences dévastatrices de Sandy pour toutes les villes qu’il a traversé. En effet elle a fait de nombreux dégâts matériels et humains. Suite