“地下气候变化”如何影响地球表面的生命

在夏季，与周边农村地区相比，城市会变得非常炎热——只需看看新奥尔良和纽约市与附近不透水表面较少的地区相比的情况。这种城市热岛效应的发生是因为建筑物和其他基础设施比自然景观吸收和重新散发更多的太阳热量。城市地区的白天温度可能比偏远地区高 1 到 7 华氏度。

但不仅仅是地表和空气温度会升高，地面也会变暖。空气温度升高，加上人类活动和基础设施的影响，会导致城市地区出现地下热岛。这种“地下气候变化”还受到室内供暖和建筑物内向地面注入热量的电器的影响。

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由于土壤、岩石和建筑材料在受到温度变化时会变形， 《通信工程》杂志最近发表的一项研究试图评估地下热岛是否会导致地面变形，从而影响民用基础设施的性能。

“这项研究的结果证明，地下气候变化引起的地面变形足以影响土木建筑和基础设施的日常功能和长期耐久性，”这项研究的作者、西北大学土木与环境工程助理教授亚历山德罗·罗塔·洛里亚说。

结构构件可能过度的角度扭曲、倾斜和/或开裂，可能会影响基础设施的美观和运行要求。幸运的是，这些变化不一定会影响其性能，也不会威胁人们的安全，罗塔·洛里亚说。

地下气候变化如何影响土壤

基础设施下方或附近的地下温度发生极端变化，会形成温度梯度，从而促进孔隙水流动。亚利桑那州立大学可持续工程与建筑环境学院地质工程师兼副教授 Claudia Zapata 表示，土壤的干燥和湿润是造成结构损坏的应变和变形的原因。

“虽然这不是岩土工程师必须处理的新问题，但较长时间的高温可能导致水分含量发生更显著的变化，”Zapata 说道。“不饱和状态将延伸到更深的区域，导致比建筑规范允许的更大的变形。”

这种影响通常与土壤类型、干燥或潮湿程度等因素有关。例如，沙质材料在气候变化条件下不易发生大变形，而粘土含量高的土壤则不然，Zapata 说道。

在分析建筑物的潜在影响时，罗塔·洛里亚表示，应考虑不同城市及其基础设施的独特特征。较老和较密集的城市通常会经历更强烈的地下气候变化，这可能会对民用基础设施产生更显著的影响。

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“像纽约市这样的大城市，建筑密集，地下结构和热源丰富，地下气候变化尤为剧烈，”罗塔·洛里亚说。“因此，从长远来看，这些城市可能特别容易出现结构和基础设施运行问题。”

他补充说，地下气候变化引起的地面变形发展缓慢但持续，因此未来几年应该减轻这种影响，以避免对土木工程和基础设施产生不良影响。

在全球变暖的情况下缓解地下气候变化

罗塔·洛里亚说，地下气候变化为城市规划者和政策制定者“增强全球城市地区的可持续性”提供了机会。

例如，对地下建筑围护结构和围护结构进行隔热处理可以最大限度地减少注入地下的废热量。安装浅层地热技术以吸收地下室、停车场和隧道中的至少一部分热量，并将其重新用于建筑物和基础设施的空间供暖和热水生产也是一种很大的可能性。

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《自然通讯》杂志2022 年发表的一项研究表明，回收因气候变化和城市化而积累的地下热量，是各种场所传统空间供暖方法的可持续替代方案。地下热量回收可以利用气候变暖，同时帮助社会向低碳经济迈进。

罗塔·洛里亚表示，旨在提高能源效率的改造措施和重新利用地下废热的地热设施是“两项具体且相对简单的缓解策略”，它们将在全球变暖的情况下阻止地下气候变化及其对民用基础设施的影响。鉴于气候变化正在对城市产生并将很快产生的所有影响，最好尽早采取行动。