3'00" 읽기 + 1'34" 영상
지하 열섬 효과는 인프라를 위험에 빠뜨릴 수 있다.

온난화는 도시 하층토를 변형시킨다.
지하 열섬 효과는 인프라를 위험에 빠뜨릴 수 있다.

소리 없는 위험:
도시 깊은 곳에서 건물로 인한 온난화로 인해 하층토가 움직이기 시작했다. 그것은 시카고의 측정에서 나타난 것처럼 도시의 하층토를 가열하여 토양층에 변형을 일으킨다. 극단적인 경우 지면이 1센티미터 정도 오르내릴 수도 있다. 이 지하 열섬 효과는 건물 기초, 파이프 및 기타 지하 기반 시설에 새로운 응력을 생성한다. 

▲ 이 그래픽에서 볼 수 있듯이 시카고에서 가장 밀집된 지역 아래의 심토는 눈에 띄게 뜨거워졌다. © Alessandro Rotta Loria/노스웨스턴 대학교

도시의 밀집된 개발이 도시 기후를 변화시키고 있다는 사실은 새로운 것이 아니다. 콘크리트와 아스팔트는 복사된 열을 저장했다가 특히 밤에 다시 방출하는 반면 냉난방 시스템에서 배출되는 바람은 공기를 가열한다. 이 도시 열섬 효과로 인해 도시는 주변 지역보다 몇 도 더 따뜻할 수 있다.

열섬도 표면 아래에 있음

그러나 이 열섬 효과에는 지금까지 과소평가된 또 다른 측면이 있다. 이것은 도시의 하층토 깊숙이 계속된다. "지하실, 지하 차고, 터널 및 지하철을 생각해 보십시오. 이러한 모든 구조물은 지속적으로 열을 방출합니다라고 일리노이주 노스웨스턴 대학교의 Alessandro Rotta Loria는 설명했다. 지난 3년 동안 시카고에서 그와 그의 팀은 이것이 하층토에 어떤 영향을 미치는지 조사해 왔다. 그곳에서 그들은 소위 루프라고 불리는 도심에서 최대 23미터 아래에 있는 150개의 온도 센서와 도시 외곽의 녹색 미개발 지역인 그랜트 파크에 설치했다.

측정 결과는 다음과 같다.
시카고 시내의 심토는 녹지 아래보다 최대 15도 더 따뜻하다. 10미터 깊이에서 온도는 최대 26도에 이르고, 23미터 깊이에서는 때때로 여전히 16~18도이다. 이전 측정의 평가는 또한 도시의 하층토의 온난화가 10년당 평균 0.1도에서 2.5도의 속도로 진행되고 있음을 보여주었다.

"그래서 여기서 열섬 효과의 지하 부분을 볼 수 있다"고 Rotta Loria는 말했다. “우리는 시카고를 예로 들었지만 이러한 종류의 지하 온난화는 전 세계 거의 모든 인구 밀도가 높은 대도시 지역에서 발생한다.”

뜨거워진 땅이 오르락 내리락

지하 열섬 효과는 결과 없이 남아 있지 않다. 구성에 따라 지하 재료가 다양한 유형의 변형으로 가열에 반응하여 작동하기 시작한다. 예를 들어, 시카고에서는 17미터 깊이까지 내려가는 하층토를 특징짓는 세립질 점토와 양토층이 열의 영향으로 수축한다는 사실이 밝혀졌다. "그 결과 시내 건물의 기초 아래에 느리지만 점진적인 침하가 발생했다"고 Rotta Loria는 보고했다.

▲ 지하 암석은 온난화에 다르게 반응한다. 부드러운 양토와 점토는 수축하는 반면 모래, 단단한 점토 및 석회암은 팽창한다. © Alessandro Rotta Loria/노스웨스턴 대학교

평균적으로 열 관련 감소는 밀리미터 범위에 불과했지만, 연구원이 판단한 바와 같이 핫스팟에서 표면 아래는 최대 8mm까지 가라앉을 수 있다. 반대로 석회암, 모래 또는 단단한 점토암은 팽창하여 열에 반응한다. 융기는 이 지하 물질이 있는 영역에서 발생한다. Rotta Loria가 보고한 바와 같이 특히 따뜻한 지역에서는 이러한 토양층이 최대 12mm까지 상승할 수 있다.

지하 인프라 부하

"따라서 이 지하 기후 변화는 조용한 위험이다"며 "우리의 시뮬레이션에 따르면 심토 변형이 너무 심해서 지하 기반 시설에 문제가 발생할 수 있기 때문이다"고 과학자는 말했다. 심토 이동으로 인해 재료에 응력이 발생하여 극단적인 경우 균열과 누수로 이어질 수 있기 때문이다. Rotta Loria는 "그것 때문에 건물이 무너진다는 의미는 아니다"고 강조했다. 그러나 시간이 지남에 따라 파이프, 벽 및 기초가 손상될 수 있다.

오래된 건물과 도시는 특히 심각한 영향을 받을 수 있다. 이는 건축 자재와 시공 방법이 유연하지 않아 지반 이동에 대한 적응력이 떨어지기 때문이다. "미국에 있는 대부분의 건물은 비교적 새 건물이지만 종종 오래된 건물이 있는 유럽 도시는 더 취약하다." 여기에는 예를 들어 부서지기 쉬운 재료로 만들어진 벽, 하수도 또는 오래된 파이프와 같은 벽돌 구조가 포함된다.

"지하 열섬으로 인한 열 변화는 그러한 구조물을 손상시킬 수 있다"고 Rotta Loria는 말한다. "지하 온난화로 인해 우리가 이전에 이 현상과 연관지어 본 적이 없는 균열과 침하가 이미 발생했을 가능성이 크다.”

더 나은 단열 및 지열 에너지를 통한 해결책

도시 지반이 더 이상 뜨거워지지 않도록 다양한 대책을 강구할 수 있다. 연구원은 "가장 효과적이고 합리적인 접근 방식은 지하 구조물의 단열을 개선하는 것"이라고 설명했다. 결과적으로 지하주차장, 지하철 승강로, 지하실, 지역난방배관 등은 도시 하층토로 열을 적게 방출하고 지하열섬효과가 약화된다.

"그것이 가능하지 않다면 지열 기술도 도움이 될 수 있다"고 Rotta Loria는 말했다. 지열 기반 열펌프는 심토에서 과도한 열을 추출하고 두 가지 이점을 가질 수 있다. 난방 및 온수를 위한 기후 친화적인 열을 제공하는 동시에 도시 심토가 더 가열되지 않도록 보호한다.
(Communications Engineering, 2023; doi: 10.1038/s44172-023-00092-1)
출처: Northwestern University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]