7月11日，美国西北大学助理教授 Alessandro Rotta Loria在科学期刊nature（《自然》）旗下期刊Communications Engineering上发布了对气候变化的全新研究成果。其研究显示，不止地上存在热岛效应，城市地区也正在遭受地下热岛效应的困扰，并且该效应正在对城市建筑物造成“无声”破坏。

德国马丁路德·哈勒维腾贝格大学教授、地球科学家Peter Bayer表示，地下是很多生物的栖息之地，而且这些生物习惯于“静态的环境”。在气候变暖的大背景下，Peter Bayer以及其他相关领域科学家正在关注这种变化对地下生态系统的影响，但是关于地下热岛如何影响城市基础设施仍然鲜少有人研究，因此此次Alessandro Rotta Loria在该领域的研究具有特殊警示意义。

Alessandro Rotta Loria和他的学生正在查看芝加哥市中心下方的地铁
图片来源：Northwestern University

地下热岛效应会影响地面建筑结构

美国生活科技信息杂志Popular Science环境记者Carla M. Delgado介绍，与周围村镇地区相比，城市在夏季往往更热，这被称为“城市热岛效应”，“这种城市热岛效应发生的原理是，建筑物和其他基础设施比自然景观更多地吸收、并散发太阳产生的热量，因此城市地区的白天气温可能会比郊区及偏远区域高1华氏度至7华氏度（约等于高0.56摄氏度至3.89摄氏度）”。

城市温度上升不止反映在地表和空气中，地下温度也在随之变暖，即地下气候变化，也被称为“地下热岛”（Subsurface heat islands）现象。据Alessandro Rotta Loria介绍，地下热岛现象受两重因素影响，首先是受气候变化影响，由于城市热岛效应加剧，地表温度也不可避免地升高，这种影响逐步向地下渗透，导致地下温度也在缓慢变化。其次，地下建筑物、地铁隧道和其他地下基础设施（地下管道、高压电缆等）在运作过程中不断将热量向周围输出，从而使地下升温。

Peter Bayer介绍，虽然全球的地面温度有四季变化，且偶尔会有剧烈波动，但是这种波动在地下并不会复制，地下温度相对保持在较稳定的范围内。当然随着气候变化和地下城市的开发，稳定的地下温度也在缓慢上升。

作为土木工程教授，Alessandro Rotta Loria已经意识到了地下温度的变化，并且猜测这种变化可能对民用基础设施的性能产生不利影响。因此为了清楚了解地下温度对建筑结构的影响，Alessandro Rotta Loria通过实地测量与模拟模型的方式进行了研究与预测。

研究团队正在安装无线温度传感器
图片来源：Northwestern University

早在2020年时，Alessandro Rotta Loria与研究团队成员就在芝加哥市中心的地铁、地下室、地下车库、城市周围公园下方等位置安装了超150个无线温度传感器，经过对截至2022年底的数据进行观察与分析，团队发现，建筑密集的市中心下方的地下温度，较远离建筑物及地铁的公园的地下温度高约10摄氏度。

基于该测量数据，Alessandro Rotta Loria结合温度变化对不同地质层有不同影响的理论，创建了3D计算机模型，模拟分析了1951年（1951年芝加哥建成地下隧道）至2050年地下环境的变化情况，并且模拟研究显示，由于不同区域地质层的成分略有不同，地下温度的变化会引发地面的收缩与膨胀现象，其中膨胀最高可使地面向上隆起12毫米，收缩最多可使下沉幅度达到8毫米。

虽然从数据看，几毫米的差距非常微小且几乎是人类难以察觉的范围，但这仍然超出了建筑物可以承受的变化范围，可能导致建筑物出现不必要的下沉、结构变形等问题。Alessandro Rotta Loria表示，“根据计算机模拟我们已经证明，地面变形非常严重，以至于会导致民用基础设施的性能出现问题。”虽然Alessandro Rotta Loria明确指出这并不会导致建筑物倒塌，但是一定会影响其适用性，而且据他猜测，地下热岛效应可能已经导致了地面裂缝或者地基沉降。

芝加哥
图片来源：Unsplash

德国卡尔斯鲁厄理工学院助理教授Kathrin Menberg称，该数据比她个人推测的更高，这与芝加哥软土和黏土含量较高的土壤有关，“黏土材料特别敏感”，因此更容易受气候变化影响。她另外指出，不止芝加哥，许多靠近海洋和河流的城市，如伦敦等都具有相似的土壤环境，因此也面临相似情况，相较之下，建立在岩石上的城市受地下热岛效应的影响较小。

Alessandro Rotta Loria表示，虽然该研究仅针对芝加哥一个城市样本，但其得出的结论在全球范围内都具有参考价值，因为所有城市在建造时都没有作应对地下热岛效应的特殊设计，但是相对来说，城市越古老，情况越严峻。“美国建筑物都比较新，而拥有非常多古老建筑的欧洲城市将更容易受到地下气候变化的影响......与地下热岛现象相关的热传导可能会对此类建筑产生不利影响。”

建筑结构发生变化并不是地下热岛效应带来的唯一风险，研究人员也表示，地下气候变化与植物生长的变化和地下水的热污染都息息相关。而且地下温度上升也可能会导致地铁轨道过热，进而引发交通基础设施出现问题，或者迫使火车减慢速度等。对于长期从事地下作业的人来说，较高的温度也可能会导致脱水、哮喘和高血压等疾病。

工作人员正在查看芝加哥的地下隧道
图片来源： theb1m.com/MWRD

失控前寻求“变废为宝”的解决方案

英国杜伦大学工程与计算科学学院教授David Toll接受美国有线电视新闻网（CNN）采访时表示，“就芝加哥市区情况而言，我们现在知道了已经发生的热胀冷缩运动，并且预测了不久的将来的状况，其规模不至于引发担忧，这是非常有用的发现”。

这一发现首先指出了影响城市建筑的新维度，虽然大众已经知晓人类活动会对城市环境带来负面影响，并引发气候变暖等问题，但是就地下气候变化而言，Alessandro F. Rotta Loria表示，“人们看不到它们，所以就好像它们不存在一样”。研究不仅确认了地下气候变化真实存在，同时表明了它的影响会波及地面生活，因此该结果值得所有城市重视，并对此展开思考，寻找解决方案。

芝加哥
图片来源：hotels.com

但幸运的是，地下热岛效应对城市建筑造成的影响目前不算失控，而且坏消息中的好消息是，城市可以从现在开始关注该问题，并对地下空间进行隔热处理。按照Alessandro Rotta Loria的说法，“最有效、最合理的方法是以尽可能减少热量溢出的方式安装隔热材料”，医院和学校等带有地下空间的大型公共设施是进行隔热处理的首选空间。

其次，Alessandro Rotta Loria提出的另一个方案是整合地热技术（利用地球内部的热能来供暖、供冷或发电的技术），有效回收地下活动产生的热量，并将其输送至建筑物中，用于建筑物供暖。加拿大萨斯喀彻温大学环境与可持续发展学院教授Grant Ferguson也表示，这些浪费的能源如果加以利用可以变废为宝，既缓解了地下热岛效应，又节省了地面的能源成本，并且可以进一步走向低碳与减排目标。

Alessandro Rotta Loria担任首席技术官的瑞士初创公司Enerdrape已经开始了收集地下热量的探索，通过Enerdrape研发的模块化且易于安装的面板，可以将地下的热量转变为可再生能源，开发地下“废料”的潜能。Enerdrape联合创始人Margaux Peltier表示，企业希望“未来任何地下结构都能为建筑物、基础设施和城市地区提供当地采购的清洁热能，减少对化石燃料的依赖，并支持建筑行业的大规模脱碳”。

Enerdrape联合创始人Margaux Peltier，她身后为Enerdrape研发的面板
图片来源：letemps.ch

截至2050年，地下热岛效应尚不至于造成不可逆转的后果，但按照澳大利亚新南威尔士大学土木与环境工程学院高级讲师Asal Bidarmaghz的说法，“在100年间，这可能会造成问题，如果我们在100年内什么都不做，这会变成巨大麻烦”。不论是城市热岛效应还是地下热岛效应，可以肯定的是，只要人类活动持续进行，气候变暖和城市建筑面临的问题只会更严峻，但是小错在酿成大错之前，始终有解决办法。

题图说明：芝加哥市中心下方的地质层
题图来源：Northwestern University/Alessandro Rotta Loria
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