地下气候变化威胁建筑物和交通系统 - 彭博社

纽约时报广场在2021年6月30日星期三的热浪中几乎空无一人。

摄影师：Jeenah Moon/Bloomberg城市热岛效应不仅仅存在于人行道上：城市中存在着地下的热点，一些科学家将其称为地下气候变化。

然而，科学家们才刚刚开始了解这些地下热岛是如何改变地面本身以及周围结构的。一项针对芝加哥商业区（即环路）的新研究表明，温度波动可能导致地面膨胀和收缩，威胁到建筑物和城市基础设施的稳定性。西北大学的土木与环境工程研究员Alessandro Rotta Loria表示，如果过度，这可能导致问题，如开裂和不良挠曲。

他的研究结果发表在周二的期刊通信工程上，并不意味着建筑物的安全性和完整性会受到损害。但随着时间的推移，城市和企业可能会面临一系列运营和维护问题，包括地下铁路轨道的变形或水从建筑物基础裂缝渗入导致墙壁渗漏。

“地下气候变化代表了一个潜在的问题，对民用基础设施构成了一个潜在的问题，应该根据具体情况进行评估，”他说。

这种现象有几个原因。沥青、钢铁和砖块是阳光的海绵，导致城市温度升高，这就是所谓的城市热岛效应。（这也受气候变化的影响。）热空气倾向于下沉到地表以下较凉爽的地区，使我们脚下的土地变暖。最大的推动因素是建筑物、交通网络和其他建成环境的元素，它们不断向周围的地面散发热量。

研究表明，全球各个城市地下浅层地面的温度以每年0.1至2.5摄氏度（高达3.6华氏度）的平均速率上升，这取决于建成环境的密度和布局等因素。地铁通勤者已经感受到了影响：当夏天来临时，地下车站往往无法为人们提供逃避外面酷热的喘息之地，这不仅造成了公共健康危害，还导致了由于速度限制和停电而导致的服务中断。

为了研究地面本身的影响，2019年，罗塔·洛里亚和他的学生们在芝加哥环城铁路安装了一个由150个传感器组成的网络，监测地表和地下温度，以及支撑城市的黏土层。根据他们的数据，2020年至2022年间，建筑物地下结构（如地下室、停车场和地铁隧道）内的温度高达36摄氏度（96.8华氏度）。

芝加哥环城地区下方的地质层，如图所示，已经吸收了地表和地下的热量。摄影师：亚历山德罗·罗塔·洛里亚/西北大学在黏土本身中，类似这些结构附近的温度大约为21.5摄氏度（70华氏度） — 大约比没有受热扩散影响的区域（比如公园下方）高出10度。罗塔·洛里亚说，一些最温暖的地区靠近地下室。

然后，团队利用这些数据创建了一个芝加哥环城地区的数字孪生，包括地下结构，比如千禧车库 —— 这是北美最大的地下停车系统，包括四个设施，总面积达380万平方英尺 —— 以模拟地面温度上升及其对地面变形的影响，从1951年地区的地铁隧道建成开始，一直到2051年。

根据模型，地面温度在该时期的前50年内以估计平均速率0.49摄氏度（不到1华氏度）上升。目前它们正在变暖，并预计将以每年平均速率0.14摄氏度（约0.25华氏度）继续变暖。变暖速率下降似乎与热传导科学有关 —— 地面只能吸收那么多热量，然后温度开始趋于稳定。然而，这些波动导致地下土层沉降和隆起，有时超过10毫米。

作为对地下热岛研究的一部分，罗塔·洛里亚测量了芝加哥环城区下方黏土层的地面温度。摄影师：亚历山德罗·罗塔·洛里亚/西北大学。这个数字看起来可能不起眼，但“建筑材料、土壤和岩石对温度变化非常敏感，”洛里亚说。“在土木工程中，几英寸或几毫米的位移可能会对城市基础设施的性能造成问题。”

在地面移动如何损坏地表结构的极端案例中，考虑一下审计大厦，这是19世纪末建在芝加哥泥泞土壤上的许多建筑之一。尽管其工程师做出了努力，但该剧院场地在第一年就下沉了超过18英寸。建筑物的不同部分沉降到不同水平，“导致地板不平整，让游客在行走时感觉像喝醉了一样，”正如一家杂志所描述的那样。混凝土地板上也出现了裂缝。

审计大厦的故事与地下气候变化无关，但这项研究明确表明，加热地面可能会导致变形。洛里亚说，即使是建筑基础和挡土结构中的小裂缝也会影响它们的功能。他补充说，老城市更有可能受到影响，因为它们往往有更老的建筑，隔热性较差，使用更过时的材料和建筑技术。

Rotta Loria计划继续探讨这个问题，看看哪些基础设施特别容易受到地面温度上升的影响。最终，他希望创建一个工具，供其他城市用来监测他们自己的地下热岛效应。

好消息是，他说，有方法可以减轻这种影响，包括更好地为地下结构进行隔热。另一种方法是将热废物转化为地热能源，用来为排放热量的建筑物供电。

“从城市规划的角度来看，这是一个巨大的机遇，尤其是现在所有关注建筑能效和可再生能源利用的注意力都集中在这里，”他说。“我们可以将潜在的问题转化为机遇。”