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我們通常理解的氣候都是指在地面以上的，反映大氣變化的多年平均狀態(tài)。但其實，地下也存在氣候變化，科學(xué)家將城市地下氣候變暖的現(xiàn)象稱為“地下熱島”。地下熱島會損害城市居民的身體健康，還會影響城市的經(jīng)濟發(fā)展。
文 | 聞靜
近日，科學(xué)家首次評估了地下熱島對城市地區(qū)地下土層的影響，成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《通信工程》（Communications Engineering）上。新研究顯示，地下熱島會威脅到建筑物和各類基礎(chǔ)設(shè)施的使用安全。
地下熱島影響城市居民生活
地下熱島的形成原因分為兩大類。一是人為因素，例如，為了給建筑物內(nèi)部供暖，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施會不斷地在地下散失熱量；地下交通也會影響地下原本的溫度場，列車行駛、制動，以及乘客也會產(chǎn)生熱量；其他地下管道、高壓電纜等也會散失熱量。二是氣象因素，可認(rèn)為是人為因素在過去幾個世紀(jì)里累積產(chǎn)生的效應(yīng)，例如，城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致地表氣溫上升，又進(jìn)一步導(dǎo)致了地下環(huán)境溫度升高。
地下熱島效應(yīng)與城市的人口密度和人口總數(shù)正相關(guān)，并受城市的地形地貌以及水文地質(zhì)條件影響。數(shù)據(jù)顯示，由于地下熱島效應(yīng)，世界各大主要城市的地下環(huán)境溫度每十年約升高 0.1～2.5℃（地面以下 100 米處）。在一些人口密集的城區(qū)，甚至出現(xiàn)了 20℃的溫度異常。科學(xué)家表示，地下熱島會給城市地區(qū)帶來許多不容忽略的隱患。
地下熱島會導(dǎo)致植物生長受限、地下水熱污染等，還會帶來一系列交通問題、公共衛(wèi)生問題。例如，地鐵軌道過熱，列車只能減速運行甚至停運，而公共交通服務(wù)延誤又會造成巨大的經(jīng)濟損失；地下極端氣溫還會導(dǎo)致人體不適甚至誘發(fā)疾病，如熱痙攣、 脫水、高血壓、哮喘和中暑等。
關(guān)注“無聲的”地下熱島效應(yīng)
值得注意的是，地下熱島對城市地區(qū)的危害仿佛是無聲的。地下熱島會導(dǎo)致土壤、巖石、建筑材料發(fā)生形變或者功能喪失，并且有些變化是不可逆的，以至于發(fā)生嚴(yán)重的地面塌陷、房屋變形等問題。然而，現(xiàn)有的城市房屋建筑、基礎(chǔ)設(shè)施都沒有考慮地下熱島效應(yīng)，因此，我們很難評估在這些建筑設(shè)施在運營后期會產(chǎn)生什么問題。
在新研究中，科學(xué)家以美國人口第二稠密的芝加哥環(huán)路區(qū)為研究區(qū)域，利用該城區(qū)的數(shù)字模型，以及安裝在該地區(qū)地表、地下的多個無線溫度傳感器得到的數(shù)據(jù)，首次評估了地下熱島對民用建筑設(shè)施的影響。
研究顯示，芝加哥環(huán)路區(qū)的地下環(huán)境已經(jīng)接近熱飽和，過去年平均升溫約為 0.49℃（地面以下 100 米處），現(xiàn)在約為 0.14℃。數(shù)據(jù)還顯示，伴隨著時間推移，不同類型的土壤層會經(jīng)歷不同的溫度變化。這個差異受是否有熱源存在及熱源的位置，土壤的結(jié)構(gòu)和密度，與地表的距離，地表的熱物理特性，是否有地下水存在及地下水流量的大小等多重因素影響。
在本項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，排除離熱源、地表的距離等因素，有些石灰?guī)r的溫度變化明顯過大，這說明這種巖性的巖石較其他巖石的熱飽和條件更高。這是在評估地下熱島對城市建筑設(shè)施的影響時，不可忽略的一件事。
收集地?zé)峄蛘吒艚^地?zé)?/strong>
科學(xué)家提出了兩種緩解地下熱島的方法。
一是利用地?zé)峒夹g(shù)將這部分額外的熱量收集起來。這也說明，雖然地下熱島會帶來一系列問題，但同時也是一個機遇，我們可以合理地利用這些熱量。
二是對地下環(huán)境進(jìn)行改造干預(yù)，例如，通過改善原有的地下圍欄或建造新的地下圍欄，對熱量進(jìn)行隔絕。通常，在地?zé)峒夹g(shù)不成熟，或者地下環(huán)境確實相當(dāng)惡劣時，我們才會采取這種干預(yù)措施。
科學(xué)家認(rèn)為，在關(guān)于地下熱島的研究中，要綜合利用物理學(xué)和能源科學(xué)的技術(shù)手段，以便可以從理論和技術(shù)兩方面，為全球各個城市的城市規(guī)劃戰(zhàn)略修訂提供建議。
參考文獻(xiàn)：
The silent impact of underground climate change on civil infrastructure | Communications Engineering (nature.com)
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