地面塌陷、污染地下水,地下也有气候变化,甚至危及人类健康
本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF
我们通常理解的气候都是指在地面以上的,反映大气变化的多年平均状态。但其实,地下也存在气候变化,科学家将城市地下气候变暖的现象称为"地下热岛"。地下热岛会损害城市居民的身体健康,还会影响城市的经济发展。
文 | 闻静
近日,科学家首次评估了地下热岛对城市地区地下土层的影响,成果发表于学术期刊《通信工程》(Communications Engineering)上。新研究显示,地下热岛会威胁到建筑物和各类基础设施的使用安全。
地下热岛影响城市居民生活
地下热岛的形成原因分为两大类。一是人为因素,例如,为了给建筑物内部供暖,相关基础设施会不断地在地下散失热量;地下交通也会影响地下原本的温度场,列车行驶、制动,以及乘客也会产生热量;其他地下管道、高压电缆等也会散失热量。二是气象因素,可认为是人为因素在过去几个世纪里累积产生的效应,例如,城市热岛效应导致地表气温上升,又进一步导致了地下环境温度升高。
地下热岛效应与城市的人口密度和人口总数正相关,并受城市的地形地貌以及水文地质条件影响。数据显示,由于地下热岛效应,世界各大主要城市的地下环境温度每十年约升高 0.1~2.5℃(地面以下 100 米处)。在一些人口密集的城区,甚至出现了 20℃的温度异常。科学家表示,地下热岛会给城市地区带来许多不容忽略的隐患。
地下热岛会导致植物生长受限、地下水热污染等,还会带来一系列交通问题、公共卫生问题。例如,地铁轨道过热,列车只能减速运行甚至停运,而公共交通服务延误又会造成巨大的经济损失;地下极端气温还会导致人体不适甚至诱发疾病,如热痉挛、 脱水、高血压、哮喘和中暑等。
关注"无声的"地下热岛效应
值得注意的是,地下热岛对城市地区的危害仿佛是无声的。地下热岛会导致土壤、岩石、建筑材料发生形变或者功能丧失,并且有些变化是不可逆的,以至于发生严重的地面塌陷、房屋变形等问题。然而,现有的城市房屋建筑、基础设施都没有考虑地下热岛效应,因此,我们很难评估在这些建筑设施在运营后期会产生什么问题。
在新研究中,科学家以美国人口第二稠密的芝加哥环路区为研究区域,利用该城区的数字模型,以及安装在该地区地表、地下的多个无线温度传感器得到的数据,首次评估了地下热岛对民用建筑设施的影响。
研究显示,芝加哥环路区的地下环境已经接近热饱和,过去年平均升温约为 0.49℃(地面以下 100 米处),现在约为 0.14℃。数据还显示,伴随着时间推移,不同类型的土壤层会经历不同的温度变化。这个差异受是否有热源存在及热源的位置,土壤的结构和密度,与地表的距离,地表的热物理特性,是否有地下水存在及地下水流量的大小等多重因素影响。
在本项研究中,研究人员发现,排除离热源、地表的距离等因素,有些石灰岩的温度变化明显过大,这说明这种岩性的岩石较其他岩石的热饱和条件更高。这是在评估地下热岛对城市建筑设施的影响时,不可忽略的一件事。
收集地热或者隔绝地热
科学家提出了两种缓解地下热岛的方法。
一是利用地热技术将这部分额外的热量收集起来。这也说明,虽然地下热岛会带来一系列问题,但同时也是一个机遇,我们可以合理地利用这些热量。
二是对地下环境进行改造干预,例如,通过改善原有的地下围栏或建造新的地下围栏,对热量进行隔绝。通常,在地热技术不成熟,或者地下环境确实相当恶劣时,我们才会采取这种干预措施。
科学家认为,在关于地下热岛的研究中,要综合利用物理学和能源科学的技术手段,以便可以从理论和技术两方面,为全球各个城市的城市规划战略修订提供建议。
参考文献:
The silent impact of underground climate change on civil infrastructure | Communications Engineering (nature.com)
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