城市街道、人行道和屋頂在白天都會吸收熱量，使得一些城市地區在白天比農村地區高出 6 華氏度，在夜間高出 22 華氏度。這些“城市熱島”也會在城市熱量向下擴散到地表以下時在地底下形成。地下室、地鐵隧道和其他地下基礎設施也不斷向周圍的土壤中散發熱量，形成熱點。現在，隨著地球變暖，地下熱量正在積聚。
根據一項關於芝加哥市中心的新研究，地下熱點可能會威脅到正是那些最初散發熱量的建築結構。這種溫度變化使周圍的地面膨脹和收縮，足以造成潛在的損害。“在[任何人]沒有意識到的情況下，芝加哥市中心正在變形，”該研究的作者，西北大學土木與環境工程師亞歷山德羅·F·羅塔·洛里亞說。
7月11日發表在《通訊工程》上的這項研究結果揭示了在土壤較軟的城市（尤其是靠近水源的城市）中，民用基礎設施面臨的“沉默的危險”，羅塔·洛里亞說。“可能已經發生了由這種地下氣候變化引起的結構問題，而我們甚至沒有意識到，”他補充道。雖然這不是對人類生命的直接或即時危險，但這種以前未知的效應突顯了氣候變化中一個鮮為人知的組成部分的影響。
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“對於地表下的很多事物來說，這有點‘眼不見，心不煩’，”薩斯喀徹溫大學的工程地質學家格蘭特·弗格森說，他沒有參與這項新研究。然而，地下世界充滿了生命。它是適應地下生活的動物的家園，如蠕蟲、蝸牛、昆蟲、甲殼類動物和蠑螈。德國馬丁·路德·哈勒-維滕貝格大學的地球科學家彼得·拜爾說，這些生物已經習慣了“非常靜態的條件”，他也沒有參與這篇論文。他解釋說，地表溫度全年經常劇烈波動，但地表下溫度保持在年平均溫度左右。在芝加哥，這大約是 52 華氏度。
顏色顯示了芝加哥環路區地下的溫度。 來源：亞歷山德羅·F·羅塔·洛里亞（溫度資料）； OpenStreetMap （底圖）（CC BY-SA 2.0）
弗格森說，地表下有“空氣溫度沒有的記憶”。隨著這些穩定的溫度因氣候變化和地下城市發展而升高，弗格森和拜爾等科學家正在密切關注對地下生態系統的潛在影響。例如，如果地下水變得太熱，可能會殺死或驅趕動物，引發水中化學變化，併成為微生物的滋生地。
但是，地下熱點如何影響城市基礎設施的問題在很大程度上尚未得到研究。由於材料會隨著溫度變化而膨脹和收縮，羅塔·洛里亞懷疑從地下室和隧道滲出的熱量可能正在加劇各種結構的磨損。
他收集了來自安裝在芝加哥市中心環路區地下室、火車隧道和停車場中 150 多個感測器的三年溫度資料。為了進行比較，感測器也安裝在格蘭特公園下方的地面中，格蘭特公園位於環路區，沿著密歇根湖岸邊。
芝加哥的總體地面溫度每年上升 0.25 華氏度，特定地下位置的讀數比未受干擾的地面高出 27 華氏度。環路區建築物下方的溫度通常比格蘭特公園下方的溫度高出 18 華氏度。* 為了瞭解這種巨大差異如何影響地面的物理特性，羅塔·洛里亞使用計算機模型模擬了從 1950 年代至今的地下環境，然後預測了從現在到 2050 年條件將如何變化。
他發現，到本世紀中葉，環路區下方的某些區域可能會向上隆起多達 12 毫米（0.47 英寸）或下沉多達 8 毫米（0.31 英寸），具體取決於所涉及區域的土壤構成。雖然這些位移聽起來很小，但羅塔·洛里亞說，它們可能會導致某些建築物的地基和牆壁出現裂縫。這可能會導致水損害或導致建築物傾斜。他說，近幾十年來，這種隱藏的因素可能導致了維護這些結構的持續挑戰和成本。
德國卡爾斯魯厄理工學院的地球科學家卡特琳·門伯格沒有參與羅塔·洛里亞的研究，她說這些位移預測比她猜測的要高几個數量級，可能與芝加哥柔軟、富含粘土的土壤有關。“粘土材料特別敏感，”她說。“這對於世界上所有建在這種材料上的城市來說都將是一個大問題。” 這將包括許多靠近海洋和河流的城市——例如，倫敦就建立在粘土層上。相比之下，弗格森說，主要建在較硬岩石上的城市（如紐約市）不會受到這種效應的太大影響。
與地表之上的氣候變化類似，這些地下變化發生在很長一段時間內。“這些影響需要幾十年，一個世紀才能發展起來，”弗格森說，他補充說，升高的地下溫度同樣需要很長時間才能自行消散。“我們基本上可以關閉一切，溫度訊號仍會在那裡持續很長一段時間。”
但弗格森和接受本次故事採訪的其他研究人員都表示，這種浪費的能源也可以重新利用，這為冷卻地表下和節省能源成本都提供了機會。地鐵隧道和地下室可以改造地熱技術以回收熱量。例如，可以安裝水管穿過地下熱點，吸收一部分熱能。雖然這種能量不足以將水變成蒸汽併產生電力，但它仍然可以用於加熱建築物和其他民用基礎設施。這種方法可能值得也可能不值得付出努力，因為它需要高昂的前期成本，並且在環路區的情況下，可能加起來不到當地能源需求的 1%。
然而，隨著地表之上的氣候變化繼續加劇地下變暖，這種計算可能會改變。在變暖的世界中，建築物將需要更多電力來保持涼爽，從而以熱量的形式產生更多浪費的能源。無論多麼緩慢，這種熱量都會在我們腳下積聚。“這就像氣候變化，”羅塔·洛里亞說。“它正在發生。也許我們並非總是看到它，但它正在發生。”
*編者注（2023 年 7 月 11 日）：釋出後編輯了這句話，以更正對芝加哥環路區下方溫度通常有多熱的描述，與格蘭特公園下方的溫度相比。
本文的一個版本，標題為“地下天氣”，已改編收錄在《大眾科學》2023 年 10 月刊中。