حرارت پنهان
گرم شدن زیر زمین چگونه باعث تغییر شکل سازه‌ها می‌شود؟
از آخرین باری که زمین گرم‌تر از امروز بود، حداقل 125 هزار سال گذشته؛ مدت‌ها قبل از ظهور هر چیزی که شبیه تمدن بشری باشد. از سال 1970، دمای زمین به سرعت افزایش یافت. هشت سال در میان سال‌های 2015 تا 2022 گرم‌ترین سال‌های ثبت‌شده بودند. در سال 2022، 850 میلیون نفر در مناطقی زندگی می‌کردند که دماهای بالاتر از تمام دوران را تجربه کردند. در سطح جهان، امواج گرمای مرگبار طولانی‌تر، داغ‌تر و مکررتر می‌شوند.
فقط به رویدادهای امسال نگاه کنید: دود ناشی از آتش‌سوزی در کانادا، آسمان ساحل شرقی را به رنگ نارنجی آخرالزمانی تبدیل کرد. یخ دریا در قطب جنوب به پایین‌ترین حد خود رسید. رکوردهای دمایی تمام دوران در پورتوریکو، سیبری، آسیای جنوب شرقی، مکزیک و تگزاس شکسته شد. در اقیانوس اطلس شمالی، دمای سطح دریا در اواخر ژوئن بالاترین دمای ثبت‌شده است. حتی اگر به سرعت به سمت انرژی پاک برویم، نیمی از جمعیت بشری جهان تا سال 2100 در معرض ترکیبات تهدیدکننده‌ای از گرما و رطوبت قرار خواهند گرفت.
بر اساس یک مطالعه جدید، پدیده‌ای به نام «تغییر اقلیم زیرزمینی» به جابه‌جایی زمین در زیر شهرها منجر می‌شود که این موضوع می‌تواند مشکلاتی را برای ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها به وجود بیاورد.
مطالعه‌ای که در شیکاگو انجام شد، نشان داد این پدیده که دانشمندان آن را «تغییر آب‌وهوای زیرزمینی» نامیده‌اند، در حال تغییر دادن شکل زمین در زیر شهرهاست. گرمای زیرزمینی پایه‌های شیکاگو را تغییر می‌دهد. زیرزمین‌ها و تونل‌های قطار دائماً گرما را نشت می‌دهند و باعث فرو رفتن زمین و فشار بر پایه‌های ساختمان می‌شوند.
بر اساس این پژوهش، این جابه‌جایی زمین در زیر مناطق شهری می‌تواند برای ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها مشکل ایجاد کرده و عملکرد و ماندگاری طولانی‌مدت آنها را تهدید کند.
تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی که از نظر فنی به عنوان «جزایر گرمایی زیرسطحی» شناخته می‌شوند، گرم شدن زمین زیر پای ماست که در اثر گرمای آزادشده به وسیله ساختمان‌ها و حمل‌ونقل زیرزمینی مانند سیستم‌های مترو ایجاد می‌شود.
الساندرو روتا لوریا، نویسنده اصلی این مطالعه، استادیار مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه نورث وسترن در اوانستون، ایلینویز، می‌گوید: «هرچه شهر متراکم‌تر باشد، تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی شدیدتر است.»
خاک، سنگ‌ها و مصالح ساختمانی در اثر تغییرات دما تغییر شکل می‌دهند. روتا لوریا گفت، برای مثال، زمین زیر ساختمان‌ها هنگام گرم شدن می‌تواند منقبض شود و به نشست ناخواسته زمین بینجامد.
وی می‌گوید: «اگر به زیرزمین‌ها، پارکینگ‌ها، تونل‌ها و قطارها فکر کنید، همه این امکانات به‌طور مداوم گرما منتشر می‌کنند. به‌طور کلی، شهرها گرم‌تر از مناطق روستایی هستند، زیرا مصالح ساختمانی به‌طور دوره‌ای گرمای حاصل از فعالیت‌های انسانی و تشعشعات خورشیدی را به دام می‌اندازند، سپس آن را در جو منتشر می‌کنند. این فرآیند برای چندین دهه مورد مطالعه قرار گرفته است. اکنون، ما در حال بررسی همتای زیرسطحی آن هستیم که عمدتاً ناشی از فعالیت‌های انسانی است.»
تغییر شکل‌های ناشی از تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی از نظر بزرگی نسبتاً کوچک هستند، اما به‌طور مداوم گسترش می‌یابند. با گذشت زمان، آنها می‌توانند برای عملکرد زیرساخت‌های عمرانی مانند پایه‌های ساختمان، دیوارهای حائل آب، تونل‌ها و... بسیار مهم شوند.
دیوید آرچر، استاد علوم ژئوفیزیک در دانشگاه شیکاگو، گفت: اما تغییرات اقلیمی زیرزمینی با آنچه ما به عنوان تغییر اقلیم در جو تصور می‌کنیم که عمدتاً به سبب گازهای گلخانه‌ای ایجاد می‌شود و اثرات گسترده‌ای دارد، یکسان نیست. آرچر که در این مطالعه مشارکتی نداشت، گفت: «به نظر می‌رسد تغییر آب‌وهوا نامیدن آن، درست نباشد.»
با این حال، اصطلاح «تغییر آب‌وهوای زیرزمینی» برای این مطالعه ابداع نشده و مدتی است که به کار برده می‌شود.
یک خطر خاموش
مطالعه 25 سال گذشته نشان می‌دهد که تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی می‌تواند باعث ایجاد مسائلی مانند آلودگی آب‌های زیرزمینی یا مشکلات راه‌آهن زیرزمینی شود، زیرا مسیرها را مستعد کمانش می‌کند یا باعث می‌شود مسافران به دلیل گرمای بیش از حد بیمار شوند. به گفته روتا لوریا، با این حال، اثرات آن بر زیرساخت‌های عمرانی تا قبل از این مطالعه، مورد بررسی قرار نگرفته بود.
این پژوهش که در ماه جاری در مجله Communications Engineering منتشر شد، با نصب 150 حسگر دما در سراسر منطقه «شیکاگو لوپ» (یک منطقه تجاری در ایلینویز)، هم در بالا و هم در زیر زمین، و در مکان‌های مختلف مانند زیرزمین، تونل و پارکینگ انجام شد. حسگرهایی نیز در «گرانت پارک» در امتداد دریاچه میشیگان قرار داده شد تا دمای یک منطقه ساخته‌نشده را بدون گرمای اضافی که از ساخت‌وساز یا حمل‌ونقل می‌آید، مقایسه کند.
داده‌ها طی سه سال جمع‌آوری شد و نتایج نشان داد که زمین زیر «لوپ» تا 18 درجه فارنهایت (10 درجه سانتی‌گراد) گرم‌تر از زمین زیر پارک است. دمای هوا در سازه‌های زیرزمینی می‌تواند تا 25 درجه سانتی‌گراد بیشتر از دمای یک زمین دست‌نخورده باشد. هنگامی که گرما به سمت زمین پخش می‌شود، فشار قابل توجهی بر موادی وارد می‌کند که با تغییر دما منبسط و منقبض می‌شوند.
روتا لوریا گفت: ما از شیکاگو به عنوان یک آزمایشگاه زنده استفاده کردیم، اما تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی تقریباً در تمام مناطق شهری متراکم در سراسر جهان مشترک است. تمام مناطق شهری که از تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی رنج می‌برند، مستعد مشکلات زیرساختی هستند.
او افزود: ما سازه‌های زیرزمینی مانند زیرزمین‌ها را پیدا کردیم که دمای هوا در آنها بسیار بالا بود. پیامد آن این است که حداقل بخشی از گرما در طول زمان به سمت زمین پخش می‌شود که منشأ این پدیده است.
سپس پژوهشگران از داده‌ها برای ساختن یک الگوی رایانه‌ای از شیکاگو لوپ و شبیه‌سازی اثر افزایش دما بر روی زمین، از دهه 1950 تا سال 2050 استفاده کردند. آنها دریافتند که بسته به ترکیب خاک، زمین به‌طور ناهمواری نسبت به گرم شدن واکنش نشان می‌دهد و می‌تواند به میزانی منبسط و منقبض شود که -در حالی که برای انسان محسوس نیست- مشکلاتی را ایجاد کند.
روتا لوریا گفت: «مهم است تاکید کنیم که تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی ایمنی مردم را تهدید نمی‌کند و تهدیدی برای فروریختن سازه‌ها و ساختمان‌ها نیست. این یک چالش بالقوه برای عملکرد و دوام سازه‌هاست، زیرا تغییر شکل‌های بیش از حد زمین می‌تواند به اعوجاج، کج شدن و ترک‌خوردگی بالقوه منجر شود.»
در نتیجه، آب می‌تواند راحت‌تر به ساختارهای ترک‌خورده سرازیر شده و به‌طور بالقوه باعث خوردگی در موادی مانند بتن‌آرمه (بتن مسلح‌شده با میلگرد) شود.
روتا لوریا گفت: «چیزی وجود دارد که من آن را یک خطر خاموش می‌نامم. زمین در نتیجه تغییرات دما در حال تغییر شکل است و هیچ ساختار یا زیرساخت شهری برای مقاومت در برابر این تغییرات طراحی نشده است. اگرچه این پدیده لزوماً برای ایمنی افراد خطرناک نیست، اما بر عملکرد عادی روزمره سیستم‌های فونداسیون و زیرساخت‌های عمرانی در کل تاثیر خواهد گذاشت. ساختمان‌هایی که بیشتر مستعد مشکلات هستند، به این دلیل که با رویکردهای قدیمی طراحی و ساخته شده‌اند، بیشترین سهم را نیز در تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی دارند، زیرا فاقد عایق حرارتی مناسب هستند، بنابراین بیشترین گرما را به زمین تزریق می‌کنند.»
شهر در حال غرق شدن
در زیر برج‌های سر به فلک‌کشیده آرت دکو در مرکز شیکاگو، جاده‌های چندسطحی و خطوط شلوغ مترو و راه‌آهن، زمین در حال غرق شدن است، نه فقط به دلایلی که ممکن است انتظار داشته باشید.
طبق مطالعه جدید دانشگاه نورث وسترن، از اواسط قرن بیستم، زمین بین سطح شهر و سنگ بستر (سنگ جامد زیر رسوبات سست مانند خاک یا آبرفت)، به‌طور متوسط 6/5 درجه فارنهایت گرم شده است. تمام آن گرما که بیشتر از زیرزمین‌ها و سایر سازه‌های زیرزمینی می‌آید، باعث شده که لایه‌های ماسه، خاک رس و سنگ زیر برخی از ساختمان‌ها در طول چند دهه چندین میلی‌متر فروکش کرده یا متورم شوند، به اندازه‌ای که شکاف‌ها و عیوب دیوارها و پایه‌ها را بدتر کند.
در این زمینه شیکاگو تنها نیست. در شهرهای بزرگ جهان، سوزاندن سوخت‌های فسیلی به وسیله انسان باعث افزایش جیوه در سطح می‌شود. اما گرما از زیرزمین‌ها، پارکینگ‌ها، تونل‌های قطار، لوله‌ها، فاضلاب‌ها و کابل‌های برق به زمین اطراف سرازیر می‌شود، پدیده‌ای که دانشمندان آن را تغییر آب‌وهوای زیرزمینی نامیده‌اند.
افزایش دمای زیرزمینی به گرم‌تر شدن تونل‌های مترو منجر می‌شود که می‌تواند باعث گرم شدن بیش از حد مسیرها و شرایط حمام بخار برای مسافران شود. این پدیده به مرور زمان باعث ایجاد جابه‌جایی‌های کوچک در زمین زیر ساختمان‌ها می‌شود که می‌تواند موجب ایجاد فشار ساختاری شود؛ که اثرات آن برای مدت طولانی قابل توجه نیست تا به‌طور ناگهانی مشخص شود.
یک فرصت بالقوه
گرم شدن زمین، باعث حرکت بیش از حد پی ساختمان و زمین اطراف آن (در اثر انبساط‌ها و انقباض‌ها) و حتی ترک می‌شود که در نهایت بر عملکرد بلندمدت عملیاتی و دوام سازه تاثیر می‌گذارد. پژوهشگران همچنین گزارش می‌دهند که خرابی ساختمان‌ها در گذشته ممکن است ناشی از چنین افزایش دمایی باشد و انتظار دارند این مشکلات در سال‌های آینده ادامه داشته باشد.
اگرچه افزایش دما تهدیدی برای زیرساخت‌های ما محسوب می‌شود، اما پژوهشگران آن را یک فرصت بالقوه می‌دانند. برنامه‌ریزان شهری می‌توانند با جذب گرمای اتلاف‌شده زیرزمینی از سیستم‌های حمل‌ونقل زیرزمینی، پارکینگ‌ها و تاسیسات زیرزمینی، اثرات تغییرات آب‌وهوایی زیرزمینی را کاهش دهند و از این منبع انرژی حرارتی دست‌نخورده استفاده کنند.
به گفته روتا لوریا، همه‌چیز تاسف‌بار نیست. او گفت: «این مطالعه می‌تواند به ما بگوید که در مقابلمان یک فرصت قرار دارد و می‌توانیم به روش‌های مختلف اقدام کنیم. ساختمان‌های آینده به‌طور قابل توجهی این پدیده را کاهش خواهند داد، زیرا فناوری‌ها و قوانین ساخت‌وساز مدرن، عایق‌کاری بهتر و بهره‌وری انرژی را الزامی می‌کند؛ و برای آن ساختارهایی که از قبل وجود دارند، درک گرمای زیرزمینی، فرصت‌هایی را ارائه می‌دهد.»
او افزود: ما می‌توانیم با اعمال عایق حرارتی در محوطه‌های زیرزمینی ساختمان‌ها، برای به حداقل رساندن میزان ورود گرمای اتلاف‌شده به زمین، اقدام کنیم. اما اگر به هر دلیلی قادر به عایق‌کاری حرارتی ساختمان‌ها برای افزایش بهره‌وری انرژی نباشیم، حداقل می‌توانیم از فناوری‌های زمین‌گرمایی در زیر یا در کنار آنها کمک بگیریم تا گرمای اتلاف‌شده را جذب کرده و از آن برای گرمایش و سرمایش استفاده کنیم.
دیوید تول، استاد مهندسی و مدیر موسسه خطر، ریسک و تاب‌آوری در دانشگاه دورهام در بریتانیا، گفت که این مطالعه مهم است، زیرا اثرات حرکات حرارتی زمین در زیر شهرها مورد توجه پژوهش‌های زیادی قرار نگرفته است. او افزود: «نتیجه‌گیری من از این مطالعه این است که برای شیکاگو لوپ، ما اکنون می‌دانیم که این حرکات حرارتی که رخ داده، و آنهایی که برای آینده نزدیک پیش‌بینی می‌شوند، به اندازه کافی بزرگ نیستند که نگران‌کننده باشند. این یک یافته بسیار مهم است.»
با این حال، این بدان معنا نیست که چنین تغییرات دمایی در زیر شهرهای دیگر، با شرایط زمینی متفاوت، نمی‌تواند مشکل‌ساز شود.
منابع:
1- گزارش جاکوپو پریسکو، وب‌سایت edition.cnn.com، 17 جولای 2023
2- وب‌سایت نیویورک‌تایمز، 14 جولای 2023
3- گزارش آماندا موریس، news.northwestern.edu،
11 جولای 2023
