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极地科学家用气球建隧道:新技术既结实又环保

2017-07-29  点击:

[提要]
1967年,美国放弃了位于格陵兰岛的一个绝密军事,原因是其地下隧道在冰层的重压下坍塌了。这也是界上最寒冷和最偏远的地区工作的科学家所熟悉的问题,他们同时还必须处理有限的基础设施和缺乏建筑材料带来的问题。如今,北极研究人员设计出了一种创造性的解

  1967年,美国放弃了位于格陵兰岛的一个绝密军事,原因是其地下隧道在冰层的重压下坍塌了。这也是界上最寒冷和最偏远的地区工作的科学家所熟悉的问题,他们同时还必须处理有限的基础设施和缺乏建筑材料带来的问题。如今,北极研究人员设计出了一种创造性的解决方案在雪层下吹一些大气球,从而形成结实的令人惊讶同时又环保的圆柱形隧道。

  这一技术的、丹麦哥本哈根大学物理学家Jorgen Peder Steffensen说,这个方法就像是在做一个热狗。Steffensen说:“利用吹雪机,我们吹出了一条沟渠。这就好比是小圆面包。”他同时也是东格陵兰冰核项目(EastGRIP)的后勤主管,这是一项专注于了解冰盖历史的研究工作。

  Steffensen说:“我们用的是一只巨大热狗形状的气球,我们在它的表面下充气。然后我们再把雪覆盖到这些气球上。”在这里,这些雪就像是“热狗”的调味品。“接下来,气球顶部的雪层就慢慢变硬了。”几天后,气球被放气并被取走,留下的隧道便可以为科学家提供住所、工作室或储物空间了。

  在过去,格陵兰岛和南极洲的极地工程师使用扁平的木梁或弧形的铝板,在结满冰的墙壁和地板上建造天花板。雪会堆积在天花板的并逐渐变硬。然而随着时间的推移,冰层会慢慢变形并收缩,导致天花板下垂和墙壁收缩,最终可能完全闭合在一起。这也就是在美国的秘密所谓的“世纪营”中发生的一切。

  Steffensen说,与传统方法相比,气球技术具有几个优势。首先,由于弓形的固有强度,圆柱形隧道的收缩速度略慢于矩形的强化天花板。在一个由气球形成的测试隧道中,工程师测量的年收缩幅度为25厘米,而传统结构的年收缩幅度为27厘米。

  Steffensen同时指出,在圆柱形隧道中,任何收缩都可以更容易地进行处理。在没有支撑的情况下,团队可以用锯子切割逐渐侵入的墙壁,进而重新扩大房间,并且没有倒塌的。这项技术还有一个优势旧技术所需要的金属或木材需要用燃料密集型的货运飞机进行运输,而且比气球重很多倍。在天花板变形后,通常无法从冰层下重新获取支撑材料,因此研究人员必须把它们留在地下。

  Steffensen于2012年在格陵兰的另一处首次尝试了这一技术。去年夏天,他率领一个团队在EastGRIP中建造了一个完整的隧道系统,共部署了8个气球。其中最大的气球长约40米,并且几个气球可以首尾相连地放置从而建造更长的隧道。

  在去年夏天进行了初步的钻探测试之后,今年夏天的钻探工作已经全面开始,同时这些隧道还提供了持续凉爽的温度。Steffensen说:“这对冰核来说是一个好消息,因为我们希望它们尽可能地保持寒冷。”

  极地工程师对于在其他地方采用这种技术很感兴趣。在南极洲康科迪亚研究站负责一个意大利研究团队后勤工作的工程师Vincenzo Cincotti表示,他已经购买了两个气球,打算在下一个南极夏季测试其储存设备的能力。尽管Cincotti相信气球技术比运输金属或木材更便宜,但他还是急切地想知道,南极洲更干燥和更寒冷的天气是否会影响到形成隧道冰屋顶的积雪的坚硬程度。他说:“如果成功了,你可以用气球来制造你需要的尽可能多的所。”

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