Il cambiamento climatico sotterraneo è un pericolo silenzioso
Il sottosuolo si sta deformando ed edifici e infrastrutture non sono preparati, soprattutto quelli più antichi
[12 Luglio 2023]
Secondo lo studio “The silent impact of underground climate change on civil infrastructure”, pubblicato su Communications Engineering da Alessandro Rotta Loria del mechanics and energy laboratory del department of civil and environmental engineering della Northwestern University, «C’è un “pericolo silenzioso” in agguato sotto le nostre principali città globali e i nostri edifici non sono stati progettati per gestirlo».
Un nuovo studio collega per la prima volta il cambiamento climatico sotterraneo al terreno in movimento sotto le aree urbane e avverte che «Man mano che il terreno si riscalda, si deforma. Questo fenomeno fa sì che le fondamenta dell’edificio e il terreno circostante si muovano eccessivamente (a causa di espansioni e contrazioni) e addirittura si crepino, il che in ultima analisi influisce sulle prestazioni operative e sulla durabilità a lungo termine delle strutture». I ricercatori evidenziano anche che «I danni agli edifici del passato potrebbero essere stati causati da tali temperature in aumento» e si aspettano che questi problemi continuino per gli anni a venire.
Sebbene l’aumento delle temperature rappresenti una minaccia per le nostre infrastrutture, i ricercatori la considerano anche una potenziale opportunità: «Catturando il calore disperso emesso nel sottosuolo dai sistemi di trasporto sotterranei, parcheggi e seminterrati, gli urbanisti potrebbero mitigare gli effetti del cambiamento climatico sotterraneo e riutilizzare il calore in una risorsa di energia termica non sfruttata».
Lo studio è il primo a quantificare le deformazioni del suolo causate dalle isole di calore del sottosuolo e il loro effetto sulle infrastrutture civili e Rotta Loria conferma che «Il cambiamento climatico sotterraneo è un pericolo silenzioso. Il terreno si sta deformando a causa delle variazioni di temperatura e nessuna struttura o infrastruttura civile esistente è progettata per resistere a queste variazioni. Sebbene questo fenomeno non sia necessariamente pericoloso per la sicurezza delle persone, influenzerà le normali operazioni quotidiane dei sistemi di fondazioni e delle infrastrutture civili in generale. L’argilla di Chicago, come molti altri terreni a grana fine, se riscaldata può contrarsi,. A causa dell’aumento della temperatura nel sottosuolo, molte fondamenta del centro stanno subendo assestamenti indesiderati, lenti ma continui. In altre parole, non è necessario vivere a Venezia per vivere in una città che sta affondando, anche se le cause di tali fenomeni sono completamente diverse».
In molte aree urbane in tutto il mondo, il calore si diffonde continuamente dagli edifici e dai trasporti sotterranei, provocando un riscaldamento del suolo a una velocità allarmante. Precedenti ricerche hanno scoperto che il sottosuolo poco profondo sotto le città si riscalda da 0,1 a 2,5 gradi Celsius per decennio.
Un fenomeno ormai conosciuto come “cambiamento climatico sotterraneo” o “isole di calore sotterranee”, che può causare problemi ecologici (come la contaminazione dell’acqua di falda) e di salute (tra i quali l’asma e il colpo di calore). Ma, fino ad ora, l’effetto del cambiamento climatico sotterraneo sulle infrastrutture civili è rimasto non studiato e poco compreso.
Rotta Loria aggiunge: «Se pensiamo a scantinati, parcheggi, tunnel e treni, tutte queste strutture emettono continuamente calore. In generale, le città sono più calde delle zone rurali perché i materiali da costruzione intrappolano periodicamente il calore derivato dall’attività umana e dalla radiazione solare e poi lo rilasciano nell’atmosfera. Questo processo è stato studiato per decenni. Ora stiamo esaminando la sua controparte sotterranea, che è guidata principalmente dall’attività antropogenica».
Negli ultimi anni, Rotta Loria e il suo team hanno installato una rete wireless con oltre 150 sensori di temperatura lungo il Chicago Loop, sia sopra che sotto terra, posizionando sensori negli scantinati degli edifici, nei tunnel della metropolitana, nei parcheggi sotterranei e nelle strade sotterranee come la Lower Wacker Drive. Per fare un confronto con questo ambiente urbano, il team ha anche sepolto dei sensori nel Grant Park, uno spazio verde lungo il lago Michigan, lontano da edifici e sistemi di trasporto sotterranei.
I dati della rete di rilevamento wireless hanno indicato che «Le temperature sotterranee sotto il Loop sono spesso 10 gradi Celsius più calde delle temperature sotto Grant Park. Le temperature dell’aria nelle strutture sotterranee possono essere fino a 25 gradi Celsius superiori rispetto alla temperatura del suolo indisturbata. Quando il calore si diffonde verso il suolo, pone uno stress significativo sui materiali che si espandono e si contraggono al variare delle temperature».
Rotta Loria spiega ancora: «Abbiamo usato Chicago come un laboratorio vivente, ma il cambiamento climatico sotterraneo è comune a quasi tutte le aree urbane dense del mondo. E tutte le aree urbane che soffrono di cambiamenti climatici sotterranei tendono ad avere problemi con le infrastrutture».
Dopo aver raccolto dati sulla temperatura per tre anni, Rotta Loria ha costruito un 3D computer model per simulare l’evoluzione della temperatura del suolo dal 1951 (l’anno in cui Chicago ha completato i tunnel della metropolitana) ad oggi e ha scoperto valori coerenti con quelli misurati sul campo e ha utilizzato la simulazione per prevedere come si evolveranno le temperature fino al 2051.
Rotta Loria ha anche modellato il modo in cui il terreno si deforma in risposta all’aumento delle temperature: mentre alcuni materiali (argilla morbida e rigida) si contraggono quando riscaldati, altri materiali (argilla dura, sabbia e calcare) si espandono. Secondo le simulazioni, «Temperature più calde possono far gonfiare il terreno ed espandersi verso l’alto fino a 12 millimetri. Possono anche far sì che il terreno si contragga e sprofondi verso il basso, sotto il peso di un edificio, fino a 8 millimetri. Anche se questo sembra pochissimo ed è impercettibile per l’uomo, la variazione è più di quanto molti componenti dell’edificio e sistemi di fondazione possano gestire senza compromettere i loro requisiti operativi».
Rotta Loria. Conferma: «Sulla base delle nostre simulazioni al computer, abbiamo dimostrato che le deformazioni del suolo possono essere così gravi da portare a problemi per le prestazioni delle infrastrutture civili. Non è che un edificio crolli all’improvviso. Le cose stanno affondando molto lentamente. Le conseguenze per la funzionalità di strutture e infrastrutture possono essere molto negative, ma ci vuole molto tempo per vederle. E’ molto probabile che il cambiamento climatico sotterraneo abbia già causato crepe e cedimenti eccessivi delle fondamenta che non abbiamo associato a questo fenomeno perché non ne eravamo a conoscenza».
Dato che urbanisti e architetti hanno progettato la maggior parte degli edifici moderni prima che emergessero i cambiamenti climatici sotterranei, non hanno progettato strutture per tollerare le variazioni di temperatura che sperimentiamo oggi. Ma – e per l’Italia non è certo una buona notizia – «Gli edifici moderni se la caveranno meglio delle strutture di epoche precedenti, come il Medioevo».
Rotta Loria conclude: «Negli Stati Uniti, gli edifici sono tutti relativamente nuovi. Le città europee con edifici molto vecchi saranno più suscettibili ai cambiamenti climatici del sottosuolo. Gli edifici in pietra e mattoni che fanno ricorso a pratiche progettuali e costruttive del passato sono generalmente in un equilibrio molto delicato con le perturbazioni associate al funzionamento attuale delle città. Le perturbazioni termiche legate alle isole di calore sotterranee possono avere impatti dannosi per queste costruzioni. Le future strategie di pianificazione dovrebbero integrare le tecnologie geotermiche per raccogliere il calore di scarto e consegnarlo agli edifici per il riscaldamento degli ambienti. I progettisti possono anche installare l’isolamento termico su edifici nuovi ed esistenti per ridurre al minimo la quantità di calore che entra nel terreno. L’approccio più efficace e razionale è isolare le strutture sotterranee in modo che la quantità di calore disperso sia minima. Se questo non è possibile, le tecnologie geotermiche offrono l’opportunità di assorbire e riutilizzare in modo efficiente il calore negli edifici. Quello che non vogliamo è usare le tecnologie per raffreddare attivamente le strutture sotterranee perché questo consuma energia. Attualmente, ci sono una miriade di soluzioni che possono essere implementate».