地下气候变化正在缓慢削弱建筑物

城市街道、人行道和屋顶在白天都会吸收热量，使得一些城市地区在白天比农村地区高出 6 华氏度，在夜间高出 22 华氏度。这些“城市热岛”也会在城市热量向下扩散到地表以下时在地底下形成。地下室、地铁隧道和其他地下基础设施也不断向周围的土壤中散发热量，形成热点。现在，随着地球变暖，地下热量正在积聚。

根据一项关于芝加哥市中心的新研究，地下热点可能会威胁到正是那些最初散发热量的建筑结构。这种温度变化使周围的地面膨胀和收缩，足以造成潜在的损害。“在[任何人]没有意识到的情况下，芝加哥市中心正在变形，”该研究的作者，西北大学土木与环境工程师亚历山德罗·F·罗塔·洛里亚说。

7月11日发表在《通讯工程》上的这项研究结果揭示了在土壤较软的城市（尤其是靠近水源的城市）中，民用基础设施面临的“沉默的危险”，罗塔·洛里亚说。“可能已经发生了由这种地下气候变化引起的结构问题，而我们甚至没有意识到，”他补充道。虽然这不是对人类生命的直接或即时危险，但这种以前未知的效应突显了气候变化中一个鲜为人知的组成部分的影响。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。

“对于地表下的很多事物来说，这有点‘眼不见，心不烦’，”萨斯喀彻温大学的工程地质学家格兰特·弗格森说，他没有参与这项新研究。然而，地下世界充满了生命。它是适应地下生活的动物的家园，如蠕虫、蜗牛、昆虫、甲壳类动物和蝾螈。德国马丁·路德·哈勒-维滕贝格大学的地球科学家彼得·拜尔说，这些生物已经习惯了“非常静态的条件”，他也没有参与这篇论文。他解释说，地表温度全年经常剧烈波动，但地表下温度保持在年平均温度左右。在芝加哥，这大约是 52 华氏度。

弗格森说，地表下有“空气温度没有的记忆”。随着这些稳定的温度因气候变化和地下城市发展而升高，弗格森和拜尔等科学家正在密切关注对地下生态系统的潜在影响。例如，如果地下水变得太热，可能会杀死或驱赶动物，引发水中化学变化，并成为微生物的滋生地。

但是，地下热点如何影响城市基础设施的问题在很大程度上尚未得到研究。由于材料会随着温度变化而膨胀和收缩，罗塔·洛里亚怀疑从地下室和隧道渗出的热量可能正在加剧各种结构的磨损。

他收集了来自安装在芝加哥市中心环路区地下室、火车隧道和停车场中 150 多个传感器的三年温度数据。为了进行比较，传感器也安装在格兰特公园下方的地面中，格兰特公园位于环路区，沿着密歇根湖岸边。

芝加哥的总体地面温度每年上升 0.25 华氏度，特定地下位置的读数比未受干扰的地面高出 27 华氏度。环路区建筑物下方的温度通常比格兰特公园下方的温度高出 18 华氏度。* 为了了解这种巨大差异如何影响地面的物理特性，罗塔·洛里亚使用计算机模型模拟了从 1950 年代至今的地下环境，然后预测了从现在到 2050 年条件将如何变化。

他发现，到本世纪中叶，环路区下方的某些区域可能会向上隆起多达 12 毫米（0.47 英寸）或下沉多达 8 毫米（0.31 英寸），具体取决于所涉及区域的土壤构成。虽然这些位移听起来很小，但罗塔·洛里亚说，它们可能会导致某些建筑物的地基和墙壁出现裂缝。这可能会导致水损害或导致建筑物倾斜。他说，近几十年来，这种隐藏的因素可能导致了维护这些结构的持续挑战和成本。

德国卡尔斯鲁厄理工学院的地球科学家卡特琳·门伯格没有参与罗塔·洛里亚的研究，她说这些位移预测比她猜测的要高几个数量级，可能与芝加哥柔软、富含粘土的土壤有关。“粘土材料特别敏感，”她说。“这对于世界上所有建在这种材料上的城市来说都将是一个大问题。” 这将包括许多靠近海洋和河流的城市——例如，伦敦就建立在粘土层上。相比之下，弗格森说，主要建在较硬岩石上的城市（如纽约市）不会受到这种效应的太大影响。

与地表之上的气候变化类似，这些地下变化发生在很长一段时间内。“这些影响需要几十年，一个世纪才能发展起来，”弗格森说，他补充说，升高的地下温度同样需要很长时间才能自行消散。“我们基本上可以关闭一切，温度信号仍会在那里持续很长一段时间。”

但弗格森和接受本次故事采访的其他研究人员都表示，这种浪费的能源也可以重新利用，这为冷却地表下和节省能源成本都提供了机会。地铁隧道和地下室可以改造地热技术以回收热量。例如，可以安装水管穿过地下热点，吸收一部分热能。虽然这种能量不足以将水变成蒸汽并产生电力，但它仍然可以用于加热建筑物和其他民用基础设施。这种方法可能值得也可能不值得付出努力，因为它需要高昂的前期成本，并且在环路区的情况下，可能加起来不到当地能源需求的 1%。

然而，随着地表之上的气候变化继续加剧地下变暖，这种计算可能会改变。在变暖的世界中，建筑物将需要更多电力来保持凉爽，从而以热量的形式产生更多浪费的能源。无论多么缓慢，这种热量都会在我们脚下积聚。“这就像气候变化，”罗塔·洛里亚说。“它正在发生。也许我们并非总是看到它，但它正在发生。”

*编者注（2023 年 7 月 11 日）：发布后编辑了这句话，以更正对芝加哥环路区下方温度通常有多热的描述，与格兰特公园下方的温度相比。

本文的一个版本，标题为“地下天气”，已改编收录在《大众科学》2023 年 10 月刊中。