冻土正在消失，地球“全面融化”，建筑工程师的挑战来了

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作者丨庞礴


“只要不发生人员伤亡的灾难，谁也不会做什么。”


随着气候变暖，坚守千年的冻土层正在消失，而冻土层之上的道路和建筑也岌岌可危。加拿大魁北克拉瓦尔大学的工程学教授盖伊·多雷（Guy Doré）亲眼目睹过这样的场景，在加拿大，三四千公里的冻土区域道路路面，约有一半因解冻变得不稳定，道路上的沥青裂出长长的缝隙，路人可以把脚伸进去。
冻土融化导致的地面沉降是缓慢而渐进的过程——重铺路面是不可行的，随着地面不断变形，损坏很快会再次出现。
多雷说，当初在这个偏僻地区修建道路时，工程师们就认为地面的冰雪融化会威胁到道路的稳定性。因此，20世纪中期工程师曾在冰层上铺碎石，再在上面修建道路。碎石隔绝冰层，从而稳定了地形，但如今很多冰层已经解冻，这些缓冲已经不再有效。
在加拿大西北地区，伊努维克的胜利圣母教堂的地面多年下沉变形。而俄罗斯雅库茨克市公寓楼的墙壁已经裂开，管道则因地层一栋而面临破裂风险，可能导致灾难性的石油泄露。

对于工程师们来说，他们必须找到新的方法给地面降温，拯救建筑，以防它们在冻土融化中坍塌。

01

地球的全面融化


在俄罗斯北部城市诺里尔斯克，建筑物的变形和拆除已经成为日常。
在该市塔尔纳赫斯卡娅街59号，建于上世纪60年代的公寓楼侧面出现巨大的裂缝。工人们曾用水泥将其覆盖，并用木头将下沉的墙角撑起，但变形仍然继续。与此同时，居民们还未搬迁，“我们是从电视里知道的，当时还以为新闻里说的的隔壁楼房，”她说。而她的邻居已经观察到自家的墙壁慢慢开裂，“我们坐在沙发上，能感觉到地板在倾斜，”

在诺里尔斯克，倾斜的建筑需要用架子抵住才不至于坍塌（图源：乔治·华盛顿大学北极可持续发展项目网站）
在诺里尔斯克市，很多楼房已经被搬空，前门拆除，从门洞里可以看到空的伏特加瓶和海报，楼梯间微微倾斜；但一些房屋仍有人居住。未来，这些建筑会被拆除，只留下地基，这些拆除工作需要靠人工来完成，每栋楼要花费1500万至2000万卢布（合130万到173万人民币）。
当地房屋地基的变形和温度监测可以预警，工程部门可以安装风筒来冷却那里的土壤。但有时变化来得太突然，2009年9月的一个早晨，共青团大街上的一栋砖砌办公楼像鸡蛋壳一样裂开，大楼的一个顶角向前倾斜了70厘米，使外墙中间出现锯齿状的裂缝，窗户也被压扁。大楼的工作人员第二天返回取回工作仪器，“地板倾斜，让我头晕目眩，”她说。所幸大楼开裂是在凌晨3点，楼里空无一人，因此没人伤亡。大楼至今闲置，无人办公。
诺里尔斯克是金属镍的生产中心，有17.7万人口，位于北极圈以北290公里。俄罗斯克拉斯诺亚尔斯克州紧急情况部副部长瓦列里·捷列什科夫（Valery Tereshkov）在2016年的一篇文章里写道，由于冻土带萎缩，诺里尔斯克市近60%的建筑物已经变形。
事实上，“冻土”一词有点名不副实。虽然深层土壤常年保持冰冻状态，但延伸到地表以下几英尺的土壤“活性层”每年夏天都会解冻。它往往解冻不均匀，使建筑物变形和扭曲。为了避免这种情况，在20世纪60年代，诺里尔斯克的公寓楼建筑商开始钻30米深的洞，浇筑钢筋混凝土桩，将其扎进深层永久冻结的土壤中。这些桩子将每栋楼房抬离地面，让空气流通冷却土壤，防止进一步解冻。
然而，工程师们没有想到土壤会变暖这么多。诺里尔斯克监测站的数据显示，冻土层活性层的解冻时间变早了，也变厚了，从0.9米增加到1米。此外，气候变化增加了降水，湿润的土壤冻结、膨胀，逐渐使混凝土桩崩溃。
诺里尔斯克的命运并非孤例，如今，冻土融化已经成为寒冷地区的共同命运。据《纽约时报》报道，俄罗斯雅库茨克市有约1000座建筑物下陷和损坏，这座城市拥有28万人口，是世界上最大的永久冻土区城市。离北极不远的挪威群岛斯瓦尔巴德也出现了类似的故事，近年来，那里有数百座房屋被拆毁，它们建在木质地基上，而融化的冻土让地基变得越来越不稳定。2020年，当地研究人员记录了斯瓦尔巴德有记录以来最温暖的夏天。在俄罗斯的煤矿城市沃尔库塔，约40%的建筑因地面变化而变形，而美国阿拉斯加的许多城镇，墓地成为沼泽地，居民已经没有地方埋葬逝者，而阿拉斯加的纽托克地区得到了联邦政府的资助，小镇整体搬迁到更安全的地方。

在阿拉斯加，气候变暖使得建筑物被毁（图源：美国地质调查局）
以往，在冻土地区进行建设时，“冻着的保持冻住，解冻了就一直解冻”是最核心的原则，但如今，这项原则已经受到了挑战。

02

寻找最便宜的方案


加拿大北部，伊努维克小镇胜利圣母教堂的工作人员正在摸索保护建筑的方法。
冰屋形状的教堂在50年前建造，正中一个圆形柱帮助建筑重新分配地面的压力，而地基是一个巨大的碟形混凝土板，下面铺着一层碎石。这些结构在过去的半个世纪里保护了建筑，但如今，教堂正在逐渐倾斜，如同一艘混凝土底的船在泥土之海里慢慢倒下。该教堂的所在教区的主教乔恩·汉森（Jon Hansen）说，这里的建筑基座已经开裂，地板倾斜不均匀，有些地方部分升起，挡住了入口，以至于工作人员每年都必须调整内部的门，以防它们死死抵在门框上。
而现在，教堂的工作人员已经探索出调整结构的方法，比如将支撑建筑的木柱换成可调节的钢柱。他们还开始为建筑物的混凝土地基正上方的空间通风，以使下面的地面尽可能保持低温。当地的研究人员正在监测这些干预措施，并评估它们的有效性。
而在北极圈内的其它地区，财大气粗的公司正在转向更贵的技术，以保持地面的冻结和稳定。例如，一些石油公司安装了“热虹吸管”，这是一种狭窄的管子，它能从地面吸收热量，并将其排放到空气中，使热量远离永冻层，以维持冻土层的状态。在美国阿拉斯加，康菲石油公司为1300公里的管道系统安装了超过12.4万个这样的装置。

在加拿大北部接近阿拉斯加的地区，冻土融化带来建筑沉降。（图源：挪威奥斯陆大学地质科学系网站）
热虹吸管以物美价廉著称，不过对教堂、公路和居民区的改造而言，它还是太昂贵了。而在加拿大，盖伊·多雷教授和他的同事们花了更多的时间寻找便宜的解决方案。
对于公路而言，一个简单的方法是使用大石头建造路堤，这些石头之间有很大的缝隙，而热量也随着空隙传导到地面；或者使用浅色的道路材料和用木棚屏蔽路堤，以防柏油道路在阳光照射下积攒热量、融化冻土；以及及时清理积雪——雪能为大地保温，使其比外界更温暖，而融化后温暖的水又会渗入地下，将冰层融化。
但对于诺里尔斯克市来说，即便这些措施都显得有些奢侈。2019年，该市成立了一个由专家组成的“冻土委员会”，试图保护建筑地基，而专家组的成员阿里·克里莫夫（Ali Kerimov）说，这个小城完全无法气候变暖的昂贵代价——如今，建造一座安全的建筑，成本要增加30%到40%，居民们呼吁更完善的监测设备，但经济衰退使得当地无法获得充足的资金。“气候变化的问题是通过投资、工程支出解决的，我们从哪里获得这笔投资？地方预算能找到这笔钱吗？”俄罗斯圣彼得堡一位气象学专家质疑。
“只要不发生人员伤亡的灾难，谁也不会做什么，”克里莫夫说。
原标题：地球“全面融化”，建筑工程师的挑战来了