Скрытая угроза: земля нагревается, а здания к этому не готовы

Новое исследование Северо-Западного университета впервые связало подземный климат с изменением почвы под городскими районами. Хотя повышение температуры действительно представляет угрозу для нашей инфраструктуры, исследователи также рассматривают это как потенциальную возможность. Улавливая отработанное тепло, выделяемое под землей из подземных транспортных систем, гаражей и подвальных помещений, градостроители могут смягчить последствия изменения подземного климата, а также повторно использовать энергию.

"Подземное изменение климата — это скрытая угроза, — говорит руководитель исследования Алессандро Ротта Лориа. — Почва деформируется в результате колебаний температуры, и никакие существующие строительные конструкции или инфраструктура не рассчитаны на то, чтобы противостоять этому. Хотя это явление не обязательно опасно для людей, оно повлияет на нормальную работу фундаментных систем и гражданской инфраструктуры в целом. Чикагская глина может сжиматься при нагревании, как и многие другие мелкозернистые почвы. В результате повышения температуры под землей многие фундаменты в центре города медленно, но постоянно подвергаются нежелательной осадке. Другими словами, вам не нужно находиться в Венеции, чтобы жить в городе, который тонет, даже если причины совершенно другие".

Что такое изменение подземного климата?

Во многих городских районах по всему миру тепло постоянно распространяется от зданий и подземного транспорта, в результате чего земля нагревается с угрожающей скоростью. Предыдущие исследователи обнаружили, что температура почвы в неглубоких недрах под городами за десятилетие выросла на 0,1–2,5 градуса по Цельсию.

Это явление называют "изменением подземного климата" или "подземными островами тепла". Оно вызывает экологические проблемы, например, загрязнение грунтовых вод, и проблемы со здоровьем, включая астму и тепловой удар. Но до сих пор влияние подземного изменения климата на гражданскую инфраструктуру оставалось малоизученным.

"Подвалы, гаражи, туннели и поезда постоянно излучают тепло, — говорит Ротта Лориа. — В целом в городах теплее, чем в сельской местности, потому что строительные материалы задерживают тепло, полученное от деятельности человека и солнечной радиации, а затем выделяют его в атмосферу. Этот процесс изучается десятилетиями. Теперь мы смотрим на его подземный аналог, который в основном обусловлен антропогенной деятельностью".

Чикаго как живая лаборатория

В последние годы Ротта Лориа и его команда установили беспроводную сеть из более чем 150 температурных датчиков во всем Чикаго-Луп (чикагской петле) — это историческое название делового центра города. Их разместили как над землей, так и под ней: в подвалах зданий, туннелях метро, ​​подземных гаражах и улицах, таких как Лоуэр-Вакер-Драйв. Для сравнения, команда также закопала датчики в Грант-парке, зеленой зоне, расположенной вдоль озера Мичиган, вдали от зданий и подземных транспортных систем.

Данные беспроводной сети датчиков показали, что подземные температуры под центром Чикаго часто на 10 градусов выше, чем температуры под Грант-парком.

"Мы использовали Чикаго как лабораторию, но изменение климата под землей характерно почти для всех густонаселенных городских районов по всему миру, — объясняет Лориа. — И все городские районы, страдающие от подземного изменения климата, склонны иметь проблемы с инфраструктурой".

Медленно тонет

После занявшего три года сбора данных Ротта Лориа построил трехмерную компьютерную модель, чтобы воссоздать изменение температуры земли с 1951 года (год, когда в Чикаго было завершено строительство тоннелей метро) до сегодняшнего дня. Он нашел значения, соответствующие тем, которые были измерены в полевых условиях, и использовал моделирование, чтобы предсказать, как температура будет меняться до 2051 года.

Ротта Лориа также продемонстрировал, как земля деформируется в ответ на повышение температуры. В то время как одни материалы (мягкая и жесткая глина) сжимаются при нагревании, другие (твердая глина, песок и известняк) расширяются.

Моделирование показало, что более высокие температуры могут привести к тому, что земля набухнет и расширится вверх на целых 12 миллиметров. Они также могут привести к тому, что земля сожмется и просядет вниз — под тяжестью здания — на целых 8 миллиметров. Хотя это кажется незначительным и незаметным для людей, изменения сильнее, чем многие строительные материалы и фундаментные системы могут выдержать без потери соответствия эксплуатационным требованиям.

"На основе нашего компьютерного моделирования мы показали, что серьезные деформации грунта могут привести к проблемам в работе гражданской инфраструктуры, — говорит Лориа. — Не то чтобы здание может внезапно рухнуть. Вещи тонут очень медленно. Последствия для работоспособности сооружений и инфраструктуры могут быть очень плохими, но чтобы их увидеть, нужно много времени. Вполне вероятно, что подземное изменение климата уже вызвало трещины и чрезмерную просадку фундамента, которые мы не связывали с этим явлением, потому что не знали о нем".

Сбор тепла

Поскольку градостроители и архитекторы проектировали большинство построек до того, как появились подземные климатические изменения, они не создавали конструкции, способные выдерживать перепады температур, с которыми мы сталкиваемся сегодня. Тем не менее современные здания будут служить дольше, чем постройки более ранних периодов, таких как средневековье.

"В Соединенных Штатах все дома относительно новые, — говорит Лориа. — Европейские города с очень старыми зданиями будут более восприимчивы к изменению климата под землей. Постройки из камня и кирпича, которые опираются на старые методы проектирования и строительства, как правило, находятся в очень хрупком равновесии с возмущениями, связанными с текущим функционированием городов. Тепловые возмущения, связанные с подземными островами тепла, могут иметь пагубные последствия для таких конструкций".

Забегая вперед, Ротта Лориа заявил, что будущие стратегии планирования должны интегрировать геотермальные технологии для сбора отработанного тепла и подачи его в здания для обогрева помещений. Планировщики также могут установить теплоизоляцию на новых и существующих зданиях, чтобы свести к минимуму энергопотери.

"Самый эффективный и рациональный подход — изолировать подземные сооружения таким образом, чтобы количество потерянного тепла было минимальным, — советует Лориа. — Если это невозможно сделать, то геотермальные технологии дают возможность эффективно поглощать и повторно использовать тепло в зданиях. Чего мы не хотим, так это использовать технологии для активного охлаждения подземных сооружений, потому что это требует энергии. В настоящее время существует множество решений, которые можно реализовать".

Исследование опубликовано в Communications Engineering, журнале Nature Portfolio.