潛伏在全球主要城市的看不見的危機：地下氣候變化威脅城市穩定

在全球各大城市的地下潛伏著一種"無聲的危險"，而我們的建筑物在設計時并沒有考慮到這一點。美國西北大學的一項新研究首次將地下氣候變化與城市地下的地層移動聯系起來。隨著地面升溫，它也會發生變形。這種現象導致建筑物地基和周圍地面過度移動（由于膨脹和收縮），甚至開裂，最終影響建筑物的長期運行性能和耐久性。

研究人員還報告說，過去的建筑損壞可能就是由這種溫度上升造成的，并預計這些問題將在未來幾年繼續存在。

芝加哥河套地區測量到的地面溫度。圖片來源：Alessandro Rotta Loria/西北大學

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盡管氣溫上升對我們的基礎設施構成了威脅，但研究人員也將其視為一個潛在的機遇。通過捕捉地下交通系統、停車場和地下室設施排放的廢熱，城市規劃者可以減輕地下氣候變化的影響，并將這些熱量重新利用為尚未開發的熱能資源。

該研究報告將于今天（7月11日）發表在《通信工程》（《自然》旗下期刊）上。這是第一項量化地下熱島引起的地面變形及其對民用基礎設施影響的研究。

西北大學的Alessandro Rotta Loria領導了這項研究，他說："地下氣候變化是一種無聲的危害。由于溫度的變化，地面正在發生變形，而現有的民用結構或基礎設施在設計上都無法承受這些變化。雖然這種現象不一定會危及人們的安全，但會影響地基系統和整個民用基礎設施的正常日常運行。"

西北大學博士生Anjali Naidu Thota將溫度傳感器安裝在芝加哥環形路地下的一根管道上。資料來源：西北大學

"芝加哥粘土在受熱時會收縮，就像許多其他細粒土壤一樣。由于地下溫度升高，市中心的許多地基都在緩慢但持續地發生不必要的沉降。換句話說，你不需要生活在威尼斯，也可以生活在一個正在下沉的城市--即使造成這種現象的原因完全不同"。

羅塔-洛里亞是西北大學麥考密克工程學院土木與環境工程系助理教授。

什么是地下氣候變化？

在全球許多城市地區，熱量不斷從建筑物和地下交通擴散，導致地面以驚人的速度升溫。先前的研究人員發現，城市地下的淺表層每十年升溫0.1至2.5攝氏度。

這種現象被稱為"地下氣候變化"或"地下熱島"，已知會導致生態問題（如地下水污染）和健康問題（包括哮喘和中暑）。但是，直到現在，地下氣候變化對民用基礎設施的影響仍未得到研究和了解。

芝加哥環形路地下一個溫度傳感器的特寫。資料來源：西北大學

"如果你想到地下室、停車場、隧道和火車，所有這些設施都會持續散發熱量，"Rotta Loria說。羅塔-洛里亞說："一般來說，城市比農村地區更熱，因為建筑材料會周期性地截留人類活動和太陽輻射產生的熱量，然后將其釋放到大氣中。這個過程已經被研究了幾十年。現在，我們正在研究其地表下的對應過程，這主要是由人類活動驅動的。"

近年來，Rotta Loria和他的團隊在芝加哥河套地區的地上和地下安裝了150多個溫度傳感器組成的無線網絡。這包括在建筑物的地下室、地鐵隧道、地下停車場以及下瓦克路等地下街道安裝傳感器。為了進行比較，研究小組還在格蘭特公園埋設了傳感器，格蘭特公園是密歇根湖畔的一片綠地，遠離建筑物和地下交通系統。

智能手機接收來自地下溫度傳感器的數據。來源：西北大學

無線傳感網絡的數據顯示，Loop地下的溫度通常比格蘭特公園地下的溫度高10度。與未受干擾的地面溫度相比，地下結構中的空氣溫度可高達25度。當熱量向地面擴散時，會對隨著溫度變化而膨脹和收縮的材料造成巨大壓力。

Rotta Loria說："我們將芝加哥作為一個活生生的實驗室，但地下氣候變化在全球幾乎所有密集的城市地區都很常見。所有遭受地下氣候變化影響的城市地區都容易出現基礎設施問題。"

緩慢下沉

在收集了三年的溫度數據后，Rotta Loria建立了一個三維計算機模型，模擬從1951年（芝加哥建成地鐵隧道的年份）到今天的地面溫度演變過程。他發現這些數值與實地測量值一致，并通過模擬預測了2051年之前的溫度變化情況。

Rotta Loria還模擬了地面在溫度升高時的變形情況。一些材料（軟粘土和硬粘土）在受熱時會收縮，而另一些材料（硬粘土、沙子和石灰石）則會膨脹。

芝加哥河套地區的三維渲染圖。彩色圓點標記溫度傳感器的位置。圖片來源：Alessandro Rotta Loria/西北大學

根據模擬結果，溫度升高會導致地面膨脹并向上擴展多達12毫米。同時，氣溫升高也會導致地面收縮并向下凹陷--在建筑物重量的作用下--多達8毫米。雖然這看起來很微妙，人類也無法察覺，但這種變化超過了許多建筑構件和地基系統在不影響其運行要求的情況下所能承受的范圍。

Rotta Loria說："根據我們的計算機模擬，我們發現地面變形可能非常嚴重，以至于導致民用基礎設施的性能出現問題。建筑物不會突然倒塌。建筑物下沉的速度非常緩慢。對結構和基礎設施的適用性造成的后果可能非常嚴重，但需要很長時間才能看到。地下氣候變化很有可能已經造成了裂縫和地基沉降過大，而我們卻沒有意識到這一現象。"

收集熱量

由于城市規劃者和建筑師在地下氣候變化出現之前就設計了大多數現代建筑，因此他們在設計建筑時并沒有考慮到我們今天所經歷的溫度變化。盡管如此，現代建筑仍將比中世紀等較早時期的建筑更好。

Rotta Loria說："在美國，建筑物都相對較新。Rotta Loria說："歐洲城市的建筑非常古老，更容易受到地下氣候變化的影響。由石頭和磚塊建成的建筑采用了過去的設計和建造方法，通常與城市當前運行相關的擾動處于非常微妙的平衡狀態。與地下熱島相關的熱擾動會對此類建筑產生不利影響。"

亞歷山德羅-羅塔-洛里亞（Alessandro Rotta Loria）教授和他的博士生安加利-奈杜-托塔（Anjali Naidu Thota）在整個芝加哥地下放置溫度傳感器。資料來源：Annie Speicher/媒體與技術創新/西北大學

展望未來，Rotta Loria表示，未來的規劃戰略應整合地熱技術，以收集廢熱并將其輸送到建筑物中用于空間供暖。規劃者還可以在新建和現有建筑上安裝隔熱裝置，以盡量減少進入地下的熱量。"最有效、最合理的方法是隔離地下結構，使浪費的熱量降到最低。如果做不到這一點，那么地熱技術就提供了在建筑物中有效吸收和再利用熱量的機會。我們不希望使用主動冷卻地下結構的技術，因為這需要消耗能源。目前，有無數種解決方案可以實施"。