在遙遠(yuǎn)的西北，沙漠與雪地總是在不斷地交織。這兩種地表的微小顆粒在風(fēng)的吹拂下能引發(fā)巨大的變化，從而形成沙塵暴、雪暴等自然災(zāi)害，對人們的生活造成極大的困擾。這些顆粒雖小，卻能在風(fēng)的作用下翻涌成海，人們的生活受到嚴(yán)重影響，威脅著人們的出行安全。
為了解決這些問題，蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院教授、院長黃寧從流體力學(xué)研究入手，深入研究顆粒在風(fēng)的作用下的運動規(guī)律，探索預(yù)防和解決沙塵暴、雪暴等問題的有效方法。他通過實地觀測、實驗分析等方式，不斷探索、嘗試和改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)顆粒的運動與風(fēng)的速度、方向、地形等因素密切相關(guān)，還可以通過改變顆粒的排列和結(jié)構(gòu)，可以有效地減少風(fēng)的作用力。
蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院教授、院長黃寧。受訪者供圖。
西部出發(fā)，從沙塵開始
1984年，黃寧毅然選擇力學(xué)專業(yè)，開啟了學(xué)以致用的探索之路。這一選擇源于系主任的一句話：“將數(shù)學(xué)作為工具應(yīng)用到其他學(xué)科，可以更好地造福人類。”他毅然決然地從考取力學(xué)專業(yè)，開始了他學(xué)以致用的探索之路。
然而，真正的挑戰(zhàn)才剛剛開始。
1997年，年輕的黃寧站在人生的十字路口，懷揣著對知識的渴望和對未來的憧憬，準(zhǔn)備踏入博士研究的大門。那一年，他拿到了導(dǎo)師鄭曉靜院士的研究課題——風(fēng)沙兩相流現(xiàn)象。這是一個國際學(xué)術(shù)界最具有挑戰(zhàn)性的難題之一，也是我國科技部確定需要研究的重大國家需求。
風(fēng)沙電現(xiàn)象，這是一個充滿神秘和未知的領(lǐng)域。在風(fēng)沙暴中，沙粒之間相互碰撞、摩擦，產(chǎn)生靜電，形成了一種獨特的風(fēng)沙電現(xiàn)象。這個看似微不足道的現(xiàn)象，卻對整個風(fēng)沙運動有著深遠(yuǎn)的影響。對于這個選題，黃寧感受到的不僅僅是挑戰(zhàn)，更是一種使命的召喚。
“90年代，中國整個北方地區(qū)面臨強烈沙塵暴的危害。而其中沙塵暴中風(fēng)沙電研究領(lǐng)域?qū)τ趪鴥?nèi)來說還是一片空白。”黃寧表示，作為一名西北人，更多的還是應(yīng)該想自己能為家鄉(xiāng)做什么。
黃寧深知，這個選題非常前沿，也十分迫切。沙塵暴災(zāi)害一直是環(huán)境災(zāi)害中亟待解決的難題，全球都在尋找解決之道。他堅信，解開風(fēng)沙電現(xiàn)象的奧秘，或許就是解決沙塵暴災(zāi)害的關(guān)鍵所在。
為了深入了解各地的風(fēng)沙活動，黃寧帶領(lǐng)團(tuán)隊在甘肅的敦煌、金塔、金昌等地設(shè)立了觀測點，開始了長期定點觀測，從記錄數(shù)據(jù)、拍攝照片，積累了大量的第一手資料。同時，他們還利用數(shù)值模擬技術(shù)，模擬風(fēng)沙運動的過程，以期更深入地理解其成因和特征。
然而，一次意外的事件差點讓他的科研之旅戛然而止。
一天，正當(dāng)他在進(jìn)行例行的觀測時，天空突然變暗，風(fēng)勢驟然加劇。這是黑風(fēng)暴來臨的征兆。
黑風(fēng)暴是沙漠中的一種極端天氣現(xiàn)象，它的威力足以將整個探險隊吞沒。黃寧知道，此時與外界的聯(lián)系已經(jīng)中斷，他們被困在了沙漠深處。
面對這樣的危險，黃寧并沒有驚慌失措。他迅速組織起團(tuán)隊，采取了一系列緊急措施來保護(hù)自己和設(shè)備，防止沙塵暴對儀器造成損害。同時，他們也密切關(guān)注著風(fēng)暴的動向，尋找最佳的逃生路線。
在接下來的幾個小時里，黃寧和團(tuán)隊成員們與黑風(fēng)暴展開了一場生死較量。風(fēng)暴的威力超出了他們的想象，整個天空被沙塵籠罩，能見度幾乎為零。但他們?nèi)匀粓允貚徫唬糜職夂椭腔叟c風(fēng)暴抗衡。
最終，在經(jīng)過漫長而艱難的等待之后，風(fēng)暴終于逐漸減弱。黃寧和團(tuán)隊成員們成功地躲過了這場災(zāi)難，深知這次經(jīng)歷是對他們勇氣和意志的一次嚴(yán)峻考驗。
這次冒險讓黃寧教授更加深刻地認(rèn)識到沙漠的威力，也讓他更加敬畏自然的威力。但他并沒有因此而退縮，相反，他更加堅定了自己的信念和目標(biāo)。
日復(fù)一日，年復(fù)一年，黃寧和他的團(tuán)隊逐漸摸清了風(fēng)沙運動特征和成因，也發(fā)現(xiàn)了不同地區(qū)之間的差異。
他從防風(fēng)、阻沙、固沙等多個角度出發(fā)，因地制宜地提出綜合治理方案，結(jié)合風(fēng)沙運動的基礎(chǔ)理論，將共性與特性相結(jié)合，經(jīng)過二十多年的努力，黃寧在風(fēng)沙兩相流領(lǐng)域取得了重要研究成果，為理解這一復(fù)雜現(xiàn)象提供了重要的科學(xué)依據(jù)，推動了我國在風(fēng)沙環(huán)境力學(xué)領(lǐng)域的研究，提升了我國在該領(lǐng)域的國際影響力。并于2018年與其導(dǎo)師周又和院士、鄭曉靜院士一起獲得國家自然科學(xué)獎二等獎。
黃寧在沙漠考察中。受訪者供圖。
學(xué)之所用，從鐵路開始
“沙漠，對我們來說只是自然界較為典型的一種地貌類型。我們對這片區(qū)域充滿好奇，因為有太多未知，這也是我們工作的動力。”
蘭新鐵路西段全長123公里，在這個區(qū)間一年有320天都在刮八級以上大風(fēng)，12級的風(fēng)說刮就刮，被稱作‘百里風(fēng)區(qū)’。
在這里，大風(fēng)攜帶著沙塵，對路基、橋涵等鐵路設(shè)施造成嚴(yán)重風(fēng)蝕。車窗玻璃被打碎，車體油漆被磨損，貨物被吹走，甚至列車脫軌的事故也時有發(fā)生。風(fēng)區(qū)的鐵路職工們每天都在與風(fēng)沙搏斗，以保證鐵路的正常運行。
為了解決這個問題，黃寧接受了挑戰(zhàn)，他受委托為蘭新鐵路設(shè)計擋風(fēng)墻。經(jīng)過反復(fù)研究和實驗，終于在鐵路上風(fēng)向位置設(shè)計出了一道堅固的擋墻。這道擋墻以低成本為前提，最大限度地避免了強橫風(fēng)對列車傾覆的危險。當(dāng)擋風(fēng)墻建成后，實踐證明它起到了非常好的防護(hù)效果。
然而，十年后，鐵路又出現(xiàn)了新的問題。擋風(fēng)墻雖然擋住了強風(fēng)，卻加重了其所防護(hù)的鐵軌區(qū)域的積沙問題。面對新挑戰(zhàn)，黃寧再次深入開展研究，弄清了積沙加重的原因和機制，并給出了解決方案。
蘭新鐵路擋風(fēng)墻試驗的成功，讓他開始第二次與鐵路的結(jié)緣。
若和鐵路沿著世界第二大流動沙漠—塔克拉瑪干沙漠南緣由西向東走行，這條鐵路約有四分之三的路段行走在沙漠之中，是世界上首條環(huán)沙漠鐵路，風(fēng)沙對鐵路建設(shè)和運營危害嚴(yán)重。
在這里，黃寧與團(tuán)隊頂著烈日、冒著風(fēng)沙，堅守觀測站點，記錄數(shù)據(jù)、拍攝照片。經(jīng)過無數(shù)次試驗和修正，他成功開發(fā)出適用于該區(qū)域沙漠地表的鐵路風(fēng)沙運動計算模型與程序，為防沙治沙工程提供科學(xué)依據(jù)。
他發(fā)現(xiàn)，特定的風(fēng)向、沙粒的粒徑和分布等因素都會影響風(fēng)沙的運動軌跡。
在此基礎(chǔ)上，黃寧提出了防沙治沙的優(yōu)化設(shè)計方案。他建議采用特定的植被、擋風(fēng)墻和排水系統(tǒng)等措施，以降低風(fēng)沙對鐵路的影響。這些方案不僅提高了鐵路的安全性，還為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)提供了有益的借鑒。
“有一天，美國探索頻道的編輯們偶然發(fā)現(xiàn)了我發(fā)表的一篇關(guān)于風(fēng)沙研究的學(xué)術(shù)論文。通過深入閱讀，他們聯(lián)系到我，希望接受一次專訪。”
黃寧欣然接受，這代表他的工作已獲得國際學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，也證明了中國在風(fēng)沙研究領(lǐng)域已走在前沿。他希望通過這次機會，讓全球更多人了解風(fēng)沙研究的價值與環(huán)境保護(hù)的重要性。
獲得國家自然科學(xué)獎二等獎。受訪者供圖。
積雪拓展，向火星出發(fā)
祁連山，中國西部的一顆明珠，其積雪是河西走廊的主要淡水資源。這片雪域不僅關(guān)乎當(dāng)?shù)鼐用竦纳睿顷P(guān)乎整個亞洲的生態(tài)平衡。隨著全球氣候變化的影響，祁連山的積雪狀況備受關(guān)注。
在這幾年中，黃寧逐漸將研究重點從風(fēng)沙轉(zhuǎn)向積雪，他通過遙感監(jiān)測和實地考察，深入研究了祁連山積雪的分布和變化規(guī)律。
在祁連山的崇山峻嶺穿梭，在茫茫雪原上跋涉，收集了大量的數(shù)據(jù)和樣本。經(jīng)過無數(shù)個日夜的努力，終于揭示了這些高寒山區(qū)積雪水資源的分布規(guī)律和演化機制。
他的研究成果不僅為科學(xué)評估這些地區(qū)的水資源提供了理論基礎(chǔ)，同時也為生態(tài)保護(hù)提供了技術(shù)支撐。政府和企業(yè)開始重視這些地區(qū)的生態(tài)保護(hù)工作，制定了一系列科學(xué)合理的政策措施。
在下一步計劃中，黃寧已將研究視野擴(kuò)展至遙遠(yuǎn)的火星，源于地球與火星沙塵間的神秘聯(lián)系。
火星沙塵暴規(guī)模宏大且持久，對探測任務(wù)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。他深知，理解這些沙塵的起因、運動規(guī)律以及其對火星氣候和地質(zhì)的影響，對于未來的“天問三號”火星探測任務(wù)至關(guān)重要。
“沙塵暴是火星上的一種常見現(xiàn)象，它們可以覆蓋整個星球表面，影響太陽輻射的吸收和行星大氣層的溫度分布。這些沙塵暴與地球上的沙塵暴不同，它們的規(guī)模更大、持續(xù)時間更長，可以持續(xù)數(shù)月之久。”
據(jù)了解，火星沙塵暴對我國火星探測任務(wù)構(gòu)成一定威脅，因為它們可以覆蓋太陽能電池板并阻擋太陽光，使探測器失去能源。此外，沙塵顆粒也可能對探測器的機械部件造成磨損和堵塞。
“由于火星沙塵顆粒的硬度較高，它們在高速運動中會對探測器表面造成嚴(yán)重的磨損。”為了解決這些問題，黃寧與澳門科技大學(xué)月球與行星科學(xué)國家重點實驗室合作。通過實驗觀測和數(shù)值模擬，分析不同粒徑和速度的沙塵顆粒對探測器表面的磨損程度，提出了定期清潔鏡片和使用防塵涂層等防護(hù)措施
此外，為了提高機械部件的抗堵塞性能和壽命，還優(yōu)化了相關(guān)儀器的機械結(jié)構(gòu)和使用防塵材料等改進(jìn)建議。
“科研不是一條坦途，在這條路上，去沙漠可能是最簡單的困難了。但我總是樂此不疲，在探索未知的路上，與收獲成果的喜悅相比，一切的困難都是微不足道的。從地球到火星，我還要繼續(xù)我的沙塵之旅，因為追求科學(xué)真理的腳步永不停歇。”黃寧表示。
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