地下氣候變化威脅建築物和交通系統 - 彭博社

紐約時報廣場在2021年6月30日星期三的熱浪中幾乎空無一人。

攝影師：Jeenah Moon/Bloomberg城市熱島效應不僅僅存在於人行道上：城市中存在着地下的熱點，一些科學家將其稱為地下氣候變化。

然而，科學家們才剛剛開始瞭解這些地下熱島是如何改變地面本身以及周圍結構的。一項針對芝加哥商業區（即環路）的新研究表明，温度波動可能導致地面膨脹和收縮，威脅到建築物和城市基礎設施的穩定性。西北大學的土木與環境工程研究員Alessandro Rotta Loria表示，如果過度，這可能導致問題，如開裂和不良撓曲。

他的研究結果發表在週二的期刊通信工程上，並不意味着建築物的安全性和完整性會受到損害。但隨着時間的推移，城市和企業可能會面臨一系列運營和維護問題，包括地下鐵路軌道的變形或水從建築物基礎裂縫滲入導致牆壁滲漏。

“地下氣候變化代表了一個潛在的問題，對民用基礎設施構成了一個潛在的問題，應該根據具體情況進行評估，”他説。

這種現象有幾個原因。瀝青、鋼鐵和磚塊是陽光的海綿，導致城市温度升高，這就是所謂的城市熱島效應。（這也受氣候變化的影響。）熱空氣傾向於下沉到地表以下較涼爽的地區，使我們腳下的土地變暖。最大的推動因素是建築物、交通網絡和其他建成環境的元素，它們不斷向周圍的地面散發熱量。

研究表明，全球各個城市地下淺層地面的温度以每年0.1至2.5攝氏度（高達3.6華氏度）的平均速率上升，這取決於建成環境的密度和佈局等因素。地鐵通勤者已經感受到了影響：當夏天來臨時，地下車站往往無法為人們提供逃避外面酷熱的喘息之地，這不僅造成了公共健康危害，還導致了由於速度限制和停電而導致的服務中斷。

為了研究地面本身的影響，2019年，羅塔·洛里亞和他的學生們在芝加哥環城鐵路安裝了一個由150個傳感器組成的網絡，監測地表和地下温度，以及支撐城市的黏土層。根據他們的數據，2020年至2022年間，建築物地下結構（如地下室、停車場和地鐵隧道）內的温度高達36攝氏度（96.8華氏度）。

芝加哥環城地區下方的地質層，如圖所示，已經吸收了地表和地下的熱量。攝影師：亞歷山德羅·羅塔·洛里亞/西北大學在黏土本身中，類似這些結構附近的温度大約為21.5攝氏度（70華氏度） — 大約比沒有受熱擴散影響的區域（比如公園下方）高出10度。羅塔·洛里亞説，一些最温暖的地區靠近地下室。

然後，團隊利用這些數據創建了一個芝加哥環城地區的數字孿生，包括地下結構，比如千禧車庫 —— 這是北美最大的地下停車系統，包括四個設施，總面積達380萬平方英尺 —— 以模擬地面温度上升及其對地面變形的影響，從1951年地區的地鐵隧道建成開始，一直到2051年。

根據模型，地面温度在該時期的前50年內以估計平均速率0.49攝氏度（不到1華氏度）上升。目前它們正在變暖，並預計將以每年平均速率0.14攝氏度（約0.25華氏度）繼續變暖。變暖速率下降似乎與熱傳導科學有關 —— 地面只能吸收那麼多熱量，然後温度開始趨於穩定。然而，這些波動導致地下土層沉降和隆起，有時超過10毫米。

作為對地下熱島研究的一部分，羅塔·洛里亞測量了芝加哥環城區下方黏土層的地面温度。攝影師：亞歷山德羅·羅塔·洛里亞/西北大學。這個數字看起來可能不起眼，但“建築材料、土壤和岩石對温度變化非常敏感，”洛里亞説。“在土木工程中，幾英寸或幾毫米的位移可能會對城市基礎設施的性能造成問題。”

在地面移動如何損壞地表結構的極端案例中，考慮一下審計大廈，這是19世紀末建在芝加哥泥濘土壤上的許多建築之一。儘管其工程師做出了努力，但該劇院場地在第一年就下沉了超過18英寸。建築物的不同部分沉降到不同水平，“導致地板不平整，讓遊客在行走時感覺像喝醉了一樣，”正如一家雜誌所描述的那樣。混凝土地板上也出現了裂縫。

審計大廈的故事與地下氣候變化無關，但這項研究明確表明，加熱地面可能會導致變形。洛里亞説，即使是建築基礎和擋土結構中的小裂縫也會影響它們的功能。他補充説，老城市更有可能受到影響，因為它們往往有更老的建築，隔熱性較差，使用更過時的材料和建築技術。

Rotta Loria計劃繼續探討這個問題，看看哪些基礎設施特別容易受到地面温度上升的影響。最終，他希望創建一個工具，供其他城市用來監測他們自己的地下熱島效應。

好消息是，他説，有方法可以減輕這種影響，包括更好地為地下結構進行隔熱。另一種方法是將熱廢物轉化為地熱能源，用來為排放熱量的建築物供電。

“從城市規劃的角度來看，這是一個巨大的機遇，尤其是現在所有關注建築能效和可再生能源利用的注意力都集中在這裏，”他説。“我們可以將潛在的問題轉化為機遇。”