在全球各大城市的地下潛伏著一種"無(wú)聲的危險(xiǎn)"，而我們的建筑物在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。美國(guó)西北大學(xué)的一項(xiàng)新研究首次將地下氣候變化與城市地下的地層移動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。隨著地面升溫，它也會(huì)發(fā)生變形。這種現(xiàn)象導(dǎo)致建筑物地基和周圍地面過(guò)度移動(dòng)（由于膨脹和收縮），甚至開裂，最終影響建筑物的長(zhǎng)期運(yùn)行性能和耐久性。

研究人員還報(bào)告說(shuō)，過(guò)去的建筑損壞可能就是由這種溫度上升造成的，并預(yù)計(jì)這些問(wèn)題將在未來(lái)幾年繼續(xù)存在。

芝加哥河套地區(qū)測(cè)量到的地面溫度。圖片來(lái)源：Alessandro Rotta Loria/西北大學(xué)

(相關(guān)資料圖)

盡管氣溫上升對(duì)我們的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成了威脅，但研究人員也將其視為一個(gè)潛在的機(jī)遇。通過(guò)捕捉地下交通系統(tǒng)、停車場(chǎng)和地下室設(shè)施排放的廢熱，城市規(guī)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(fā)的熱能資源。

該研究報(bào)告將于今天（7月11日）發(fā)表在《通信工程》（《自然》旗下期刊）上。這是第一項(xiàng)量化地下熱島引起的地面變形及其對(duì)民用基礎(chǔ)設(shè)施影響的研究。

西北大學(xué)的Alessandro Rotta Loria領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他說(shuō)："地下氣候變化是一種無(wú)聲的危害。由于溫度的變化，地面正在發(fā)生變形，而現(xiàn)有的民用結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)設(shè)施在設(shè)計(jì)上都無(wú)法承受這些變化。雖然這種現(xiàn)象不一定會(huì)危及人們的安全，但會(huì)影響地基系統(tǒng)和整個(gè)民用基礎(chǔ)設(shè)施的正常日常運(yùn)行。"

西北大學(xué)博士生Anjali Naidu Thota將溫度傳感器安裝在芝加哥環(huán)形路地下的一根管道上。資料來(lái)源：西北大學(xué)

"芝加哥粘土在受熱時(shí)會(huì)收縮，就像許多其他細(xì)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(xù)地發(fā)生不必要的沉降。換句話說(shuō)，你不需要生活在威尼斯，也可以生活在一個(gè)正在下沉的城市--即使造成這種現(xiàn)象的原因完全不同"。

羅塔-洛里亞是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院土木與環(huán)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(qū)，熱量不斷從建筑物和地下交通擴(kuò)散，導(dǎo)致地面以驚人的速度升溫。先前的研究人員發(fā)現(xiàn)，城市地下的淺表層每十年升溫0.1至2.5攝氏度。

這種現(xiàn)象被稱為"地下氣候變化"或"地下熱島"，已知會(huì)導(dǎo)致生態(tài)問(wèn)題（如地下水污染）和健康問(wèn)題（包括哮喘和中暑）。但是，直到現(xiàn)在，地下氣候變化對(duì)民用基礎(chǔ)設(shè)施的影響仍未得到研究和了解。

芝加哥環(huán)形路地下一個(gè)溫度傳感器的特寫。資料來(lái)源：西北大學(xué)

"如果你想到地下室、停車場(chǎng)、隧道和火車，所有這些設(shè)施都會(huì)持續(xù)散發(fā)熱量，"Rotta Loria說(shuō)。羅塔-洛里亞說(shuō)："一般來(lái)說(shuō)，城市比農(nóng)村地區(qū)更熱，因?yàn)榻ㄖ牧蠒?huì)周期性地截留人類活動(dòng)和太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱量，然后將其釋放到大氣中。這個(gè)過(guò)程已經(jīng)被研究了幾十年。現(xiàn)在，我們正在研究其地表下的對(duì)應(yīng)過(guò)程，這主要是由人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的。"

近年來(lái)，Rotta Loria和他的團(tuán)隊(duì)在芝加哥河套地區(qū)的地上和地下安裝了150多個(gè)溫度傳感器組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這包括在建筑物的地下室、地鐵隧道、地下停車場(chǎng)以及下瓦克路等地下街道安裝傳感器。為了進(jìn)行比較，研究小組還在格蘭特公園埋設(shè)了傳感器，格蘭特公園是密歇根湖畔的一片綠地，遠(yuǎn)離建筑物和地下交通系統(tǒng)。

智能手機(jī)接收來(lái)自地下溫度傳感器的數(shù)據(jù)。來(lái)源：西北大學(xué)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)中的空氣溫度可高達(dá)25度。當(dāng)熱量向地面擴(kuò)散時(shí)，會(huì)對(duì)隨著溫度變化而膨脹和收縮的材料造成巨大壓力。

Rotta Loria說(shuō)："我們將芝加哥作為一個(gè)活生生的實(shí)驗(yàn)室，但地下氣候變化在全球幾乎所有密集的城市地區(qū)都很常見(jiàn)。所有遭受地下氣候變化影響的城市地區(qū)都容易出現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題。"

緩慢下沉

在收集了三年的溫度數(shù)據(jù)后，Rotta Loria建立了一個(gè)三維計(jì)算機(jī)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(guò)程。他發(fā)現(xiàn)這些數(shù)值與實(shí)地測(cè)量值一致，并通過(guò)模擬預(yù)測(cè)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(shí)的變形情況。一些材料（軟粘土和硬粘土）在受熱時(shí)會(huì)收縮，而另一些材料（硬粘土、沙子和石灰石）則會(huì)膨脹。

芝加哥河套地區(qū)的三維渲染圖。彩色圓點(diǎn)標(biāo)記溫度傳感器的位置。圖片來(lái)源：Alessandro Rotta Loria/西北大學(xué)

根據(jù)模擬結(jié)果，溫度升高會(huì)導(dǎo)致地面膨脹并向上擴(kuò)展多達(dá)12毫米。同時(shí)，氣溫升高也會(huì)導(dǎo)致地面收縮并向下凹陷--在建筑物重量的作用下--多達(dá)8毫米。雖然這看起來(lái)很微妙，人類也無(wú)法察覺(jué)，但這種變化超過(guò)了許多建筑構(gòu)件和地基系統(tǒng)在不影響其運(yùn)行要求的情況下所能承受的范圍。

Rotta Loria說(shuō)："根據(jù)我們的計(jì)算機(jī)模擬，我們發(fā)現(xiàn)地面變形可能非常嚴(yán)重，以至于導(dǎo)致民用基礎(chǔ)設(shè)施的性能出現(xiàn)問(wèn)題。建筑物不會(huì)突然倒塌。建筑物下沉的速度非常緩慢。對(duì)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的適用性造成的后果可能非常嚴(yán)重，但需要很長(zhǎng)時(shí)間才能看到。地下氣候變化很有可能已經(jīng)造成了裂縫和地基沉降過(guò)大，而我們卻沒(méi)有意識(shí)到這一現(xiàn)象。"

收集熱量

由于城市規(guī)劃者和建筑師在地下氣候變化出現(xiàn)之前就設(shè)計(jì)了大多數(shù)現(xiàn)代建筑，因此他們?cè)谠O(shè)計(jì)建筑時(shí)并沒(méi)有考慮到我們今天所經(jīng)歷的溫度變化。盡管如此，現(xiàn)代建筑仍將比中世紀(jì)等較早時(shí)期的建筑更好。

Rotta Loria說(shuō)："在美國(guó)，建筑物都相對(duì)較新。Rotta Loria說(shuō)："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(guò)去的設(shè)計(jì)和建造方法，通常與城市當(dāng)前運(yùn)行相關(guān)的擾動(dòng)處于非常微妙的平衡狀態(tài)。與地下熱島相關(guān)的熱擾動(dòng)會(huì)對(duì)此類建筑產(chǎn)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(gè)芝加哥地下放置溫度傳感器。資料來(lái)源：Annie Speicher/媒體與技術(shù)創(chuàng)新/西北大學(xué)

展望未來(lái)，Rotta Loria表示，未來(lái)的規(guī)劃戰(zhàn)略應(yīng)整合地?zé)峒夹g(shù)，以收集廢熱并將其輸送到建筑物中用于空間供暖。規(guī)劃者還可以在新建和現(xiàn)有建筑上安裝隔熱裝置，以盡量減少進(jìn)入地下的熱量。"最有效、最合理的方法是隔離地下結(jié)構(gòu)，使浪費(fèi)的熱量降到最低。如果做不到這一點(diǎn)，那么地?zé)峒夹g(shù)就提供了在建筑物中有效吸收和再利用熱量的機(jī)會(huì)。我們不希望使用主動(dòng)冷卻地下結(jié)構(gòu)的技術(shù)，因?yàn)檫@需要消耗能源。目前，有無(wú)數(shù)種解決方案可以實(shí)施"。