缆车不稳，山屋告急？瑞士科学家用太阳能“冻住地基”
随着永久冻土的加速融化，山地地貌正在改变，铁路、道路、缆车和建筑正面临不同程度的风险。瑞士科学家正在尝试用一项太阳能驱动的冷却系统，为山区基础设施“稳住阵脚”。在全球升温持续的背景下，瑞士能否科学应对高山冻土退化？
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“这是当前的热门话题，”瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的博士研究员埃丽扎维塔·沙拉博罗娃(Elizaveta Sharaborova)表示。
沙拉博罗娃正在参与“SolarFrost”项目，该项目旨在开发一种“热稳定化”系统，通过地下冷却管道防止或延缓永久冻土融化。目标是保护建在冻土地基上的山间小屋、滑雪缆车和铁路线路。
“我与德国、奥地利以及瑞士的专家都有交流，因为这些国家在山区基础设施方面都面临问题，”她向瑞士资讯swissinfo.ch表示。
从阿尔卑斯山到北极，永久冻土这种由土壤、岩石、冰和有机物组成的冻结地层正在升温。去年12月发表的一项研究显示，欧洲山区的永久冻土温度正以前所未有的速度上升，比以往任何时候都更高，部分地区每十年升温超过1摄氏度。这可能导致山体不稳定和岩石崩塌，并对海拔2’600米以上建在冻土层上的所有建筑构成重大威胁。
在攻读机械工程学位期间，沙拉博罗娃曾参与一个在西伯利亚利用太阳能为铁路供电的项目；正是那时，她意识到了潜在的永久冻土保护方法。
“在西伯利亚的一些地区，由于土壤不够稳定，建设基础设施非常困难，”她告诉瑞士资讯，“我们一直在思考如何利用可再生能源来稳定永久冻土。于是我们提出一个设想：利用太阳能供电的热泵系统。这就是一切的起点。”
从西伯利亚到锡永
沙拉博罗娃于2022年来到瑞士，在瑞士阿尔卑斯山脉腹地的锡永市，进入瑞士洛桑联邦理工学院的冰冻圈科学实验室，深入研究热稳定技术，此次研究对象为山地永久冻土。
“这听起来可能有点老套，但我真的只是想参与一个能改善环境的项目。我相信，总有一天我的研究会真正派上用场，”她说道。
目前，在加拿大、俄罗斯和阿拉斯加等北极永久冻土区，已广泛采用多种热稳定技术，包括被动式和主动式方案，以应对永久冻土融化对道路、建筑和地貌造成的严重威胁。具体做法包括铺设隔热层、修筑碎石堤坝以减少热传导，或安装通风管道、热虹吸管等设施。这些简易系统已经在全球许多永久冻土区使用超过50年，通过自然对流的方式，将地表热量被动传递到空气中，从而帮助保存冻土，维持坡体的稳定。
不过，这些技术在阿尔卑斯山这样的高山冻土区却难以推广。随着全球气温上升，这些传统系统的效率会逐渐降低。若与制冷设备结合使用，则成本高昂且耗能巨大。
这名瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员正通过其“SolarFrost”项目努力解决这些问题，该实验性热稳定系统正在瓦莱州锡永市和格劳宾登州萨梅丹市进行开发和测试。
加拿大BGC工程公司地质技术与永久冻土工程师卢卡斯·阿伦森(Lukas Arenson)认为此类项目具有必要性。
“随着气候变化加剧，主动管理地面温度以保持永久冻土冻结状态并维持阿尔卑斯山脉各类基础设施稳定性的需求日益迫切。永久冻土融化可能导致地面位移，甚至在某些情况下引发灾难性的建筑设施坍塌。”
阿伦森表示，尽管阿尔卑斯山的气候环境与北极不同，但物理原理是相同的，工程原理也具有共通性。
创建一个低于冰点的屏障层
沙拉博罗娃和她的同事们建造了一个太阳能驱动的原型装置，用以模拟真实环境条件。该装置由一个高一米的热绝缘木箱组成，箱内填充土壤以模拟山地永久冻土。箱内10厘米深处埋有管道，管道内充有冷却液。
这些管道连接到热泵，该设备通过循环冷却液吸收地面热量并将其传递至装置中。通过这种方式，系统可在地表下重新形成一个低于冰点的屏障层，理论上能够起到保护下层永久冻土的作用。
整个原型机由太阳能板供电，这些太阳能板还可遮挡地面上的阳光辐射、降低风速并阻隔雨雪，进一步增强冷却效果。
实验装置的内置仪器可监测土壤温度、湿度和热通量。冷却强度可通过压缩机调节，并可像现代地暖系统那样实现自由开关控制。
初步结果令人鼓舞。实验表明，这套低成本系统可形成冻结屏障层，阻止热量向地下渗透，在真实永久冻土环境中，该屏障可在夏季保护更深处的冻结层，而太阳能电池板能在冬季增强自然冷却效果。
>> 这段短视频探讨了永久冻土融化对山区基础设施的影响，以及“SolarFrost”系统的工作原理。
另一个好处是，系统吸取的热量或过剩的太阳能发电量也可以在当地重新利用，例如为山区建筑或基础设施供电供暖。
她的实践研究建立在此前一项研究成果的基础上，该研究指出，对于受永久冻土融化威胁的阿尔卑斯山地区，将被动与主动的冻土稳定措施结合使用，往往能取得更佳成效。
对技术解决方案“日益增长的需求”
专家们一致认为，针对受影响山区，冷却基础设施的技术解决方案研究至关重要但也充满挑战。
“永久冻土温度上升，活动层厚度增加，地下冰逐渐融化。这些变化可能导致山区基础设施下沉和变形。如果能有效预防这些问题，不仅能延长设施的设计寿命，还能维持其结构稳定性，”瑞士联邦森林、雪与景观研究所(WSL)高级科学家玛尔西亚·菲利普斯(Marcia Phillips)向瑞士资讯表示。
此类技术面临的两大挑战在于：在复杂山地地形中的安装难度，以及使用过程中需对地面状况进行密切监测。
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加拿大工程师阿伦森表示，SolarFrost项目的理念十分成熟，他曾与菲利普斯一起研究过永久冻土上的建筑施工方法。
“从地面吸取热量-无论是在冬季还是夏季-是永久冻土工程中一个已被广泛验证的做法，几十年来已在全球多处寒冷地区成功应用。该系统最突出的特点在于使用了太阳能热泵，”他向瑞士资讯表示，“我特别想了解SolarFrost系统与主动式热虹吸系统在效率方面的对比，也就是它从永久冻土中吸取的热量与消耗的能量之比是多少。”
高海拔测试
沙拉博罗娃的下一步计划是创建一个更大、可扩展且可持续运行的版本，并让其持续运行数年，以便她能够监测这项技术在高海拔环境中的实际表现。
这项技术的具体应用场景目前尚未最终敲定。她坦言，在阿尔卑斯山的大型不稳定永久冻土斜坡上部署这套系统是个不小的挑战，因为这意味着必须在山地永久冻土中铺设管道。不过，这项技术未来有望应用于山地缆车或铁路等基础设施。目前，在意大利北部的科蒂纳·丹佩佐滑雪区，巴斯托法纳(Bus Tofana)缆车就正在测试一种类似的方案，旨在防止或延缓永久冻土的融化过程。
这位瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员也正在与邻近山区的瑞士相关利益方进行沟通，讨论永久冻土融化可能对高海拔基础设施带来的潜在影响。
为加固山区的单体建筑(如山间小屋)，可将热稳定系统集成到地下室中，通过在墙体上安装冷却管道，把地下空间变成一个“冷冻间”。她表示，此举可避免在地面不便施工的区域铺设管道的问题。
“在俄罗斯或挪威这样的北方地区，安装此类系统相对容易一些，”沙拉博罗娃解释道，“但在山地地形中，过程要复杂得多。系统必须经过优化并实现集成。将这项技术引入山地地区，确实是一个重大突破。”
中国北部和青藏高原是永久冻土的主要分布区域。
在青藏高原，一份2022年的研究指出，永久冻土退化将给基础设施造成巨额损失。预计至2050年将有38%的道路、39%的铁路与电力线路、以及21%的建筑处于高风险区域；到本世纪末，这些比例几乎会翻倍。
中国已开始针对冻土退化开展基础设施适应性建设，尤其以青藏铁路为代表。该铁路在穿越永久冻土区时，采用了高架桥、热虹吸管、碎石隔热层和太阳遮板等多种技术以防融化造成地基沉陷。
(编辑：Gabe Bullard/vdv，编译自英语：瑞士资讯中文部/gj)
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