黃寧：扎根西部，逐夢沙塵中的星辰
在遙遠的西北，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的吹拂下能引發巨大的變化，從而形成沙塵暴、雪暴等自然災害，對人們的生活造成極大的困擾。這些顆粒雖小，卻能在風的作用下翻涌成海，人們的生活受到嚴重影響，威脅著人們的出行安全。
為了解決這些問題，蘭州大學土木工程與力學學院教授、院長黃寧從流體力學研究入手，深入研究顆粒在風的作用下的運動規律，探索預防和解決沙塵暴、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，發現顆粒的運動與風的速度、方向、地形等因素密切相關，還可以通過改變顆粒的排列和結構，可以有效地減少風的作用力。
蘭州大學土木工程與力學學院教授、院長黃寧。受訪者供圖。
西部出發，從沙塵開始
1984年，黃寧毅然選擇力學專業，開啟了學以致用的探索之路。這一選擇源于系主任的一句話：“將數學作為工具應用到其他學科，可以更好地造福人類。”他毅然決然地從考取力學專業，開始了他學以致用的探索之路。
然而，真正的挑戰才剛剛開始。
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，準備踏入博士研究的大門。那一年，他拿到了導師鄭曉靜院士的研究課題——風沙兩相流現象。這是一個國際學術界最具有挑戰性的難題之一，也是我國科技部確定需要研究的重大國家需求。
風沙電現象，這是一個充滿神秘和未知的領域。在風沙暴中，沙粒之間相互碰撞、摩擦，產生靜電，形成了一種獨特的風沙電現象。這個看似微不足道的現象，卻對整個風沙運動有著深遠的影響。對于這個選題，黃寧感受到的不僅僅是挑戰，更是一種使命的召喚。
“90年代，中國整個北方地區面臨強烈沙塵暴的危害。而其中沙塵暴中風沙電研究領域對于國內來說還是一片空白。”黃寧表示，作為一名西北人，更多的還是應該想自己能為家鄉做什么。
黃寧深知，這個選題非常前沿，也十分迫切。沙塵暴災害一直是環境災害中亟待解決的難題，全球都在尋找解決之道。他堅信，解開風沙電現象的奧秘，或許就是解決沙塵暴災害的關鍵所在。
為了深入了解各地的風沙活動，黃寧帶領團隊在甘肅的敦煌、金塔、金昌等地設立了觀測點，開始了長期定點觀測，從記錄數據、拍攝照片，積累了大量的第一手資料。同時，他們還利用數值模擬技術，模擬風沙運動的過程，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，正當他在進行例行的觀測時，天空突然變暗，風勢驟然加劇。這是黑風暴來臨的征兆。
黑風暴是沙漠中的一種極端天氣現象，它的威力足以將整個探險隊吞沒。黃寧知道，此時與外界的聯系已經中斷，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。他迅速組織起團隊，采取了一系列緊急措施來保護自己和設備，防止沙塵暴對儀器造成損害。同時，他們也密切關注著風暴的動向，尋找最佳的逃生路線。
在接下來的幾個小時里，黃寧和團隊成員們與黑風暴展開了一場生死較量。風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。但他們仍然堅守崗位，用勇氣和智慧與風暴抗衡。
最終，在經過漫長而艱難的等待之后，風暴終于逐漸減弱。黃寧和團隊成員們成功地躲過了這場災難，深知這次經歷是對他們勇氣和意志的一次嚴峻考驗。
這次冒險讓黃寧教授更加深刻地認識到沙漠的威力，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。
日復一日，年復一年，黃寧和他的團隊逐漸摸清了風沙運動特征和成因，也發現了不同地區之間的差異。
他從防風、阻沙、固沙等多個角度出發，因地制宜地提出綜合治理方案，結合風沙運動的基礎理論，將共性與特性相結合，經過二十多年的努力，黃寧在風沙兩相流領域取得了重要研究成果，為理解這一復雜現象提供了重要的科學依據，推動了我國在風沙環境力學領域的研究，提升了我國在該領域的國際影響力。并于2018年與其導師周又和院士、鄭曉靜院士一起獲得國家自然科學獎二等獎。
黃寧在沙漠考察中。受訪者供圖。
學之所用，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，在這個區間一年有320天都在刮八級以上大風，12級的風說刮就刮，被稱作‘百里風區’。
在這里，大風攜帶著沙塵，對路基、橋涵等鐵路設施造成嚴重風蝕。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生。風區的鐵路職工們每天都在與風沙搏斗，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，他受委托為蘭新鐵路設計擋風墻。經過反復研究和實驗，終于在鐵路上風向位置設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對列車傾覆的危險。當擋風墻建成后，實踐證明它起到了非常好的防護效果。
然而，十年后，鐵路又出現了新的問題。擋風墻雖然擋住了強風，卻加重了其所防護的鐵軌區域的積沙問題。面對新挑戰，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。
蘭新鐵路擋風墻試驗的成功，讓他開始第二次與鐵路的結緣。
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，是世界上首條環沙漠鐵路，風沙對鐵路建設和運營危害嚴重。
在這里，黃寧與團隊頂著烈日、冒著風沙，堅守觀測站點，記錄數據、拍攝照片。經過無數次試驗和修正，他成功開發出適用于該區域沙漠地表的鐵路風沙運動計算模型與程序，為防沙治沙工程提供科學依據。
他發現，特定的風向、沙粒的粒徑和分布等因素都會影響風沙的運動軌跡。
在此基礎上，黃寧提出了防沙治沙的優化設計方案。他建議采用特定的植被、擋風墻和排水系統等措施，以降低風沙對鐵路的影響。這些方案不僅提高了鐵路的安全性，還為當地的生態環境保護提供了有益的借鑒。
“有一天，美國探索頻道的編輯們偶然發現了我發表的一篇關于風沙研究的學術論文。通過深入閱讀，他們聯系到我，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術界的廣泛認可，也證明了中國在風沙研究領域已走在前沿。他希望通過這次機會，讓全球更多人了解風沙研究的價值與環境保護的重要性。
獲得國家自然科學獎二等獎。受訪者供圖。
積雪拓展，向火星出發
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。這片雪域不僅關乎當地居民的生活，更是關乎整個亞洲的生態平衡。隨著全球氣候變化的影響，祁連山的積雪狀況備受關注。
在這幾年中，黃寧逐漸將研究重點從風沙轉向積雪，他通過遙感監測和實地考察，深入研究了祁連山積雪的分布和變化規律。
在祁連山的崇山峻嶺穿梭，在茫茫雪原上跋涉，收集了大量的數據和樣本。經過無數個日夜的努力，終于揭示了這些高寒山區積雪水資源的分布規律和演化機制。
他的研究成果不僅為科學評估這些地區的水資源提供了理論基礎，同時也為生態保護提供了技術支撐。政府和企業開始重視這些地區的生態保護工作，制定了一系列科學合理的政策措施。
在下一步計劃中，黃寧已將研究視野擴展至遙遠的火星，源于地球與火星沙塵間的神秘聯系。
火星沙塵暴規模宏大且持久，對探測任務構成嚴重威脅。他深知，理解這些沙塵的起因、運動規律以及其對火星氣候和地質的影響，對于未來的“天問三號”火星探測任務至關重要。
“沙塵暴是火星上的一種常見現象，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，它們的規模更大、持續時間更長，可以持續數月之久。”
據了解，火星沙塵暴對我國火星探測任務構成一定威脅，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重的磨損。”為了解決這些問題，黃寧與澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室合作。通過實驗觀測和數值模擬，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措施
此外，為了提高機械部件的抗堵塞性能和壽命，還優化了相關儀器的機械結構和使用防塵材料等改進建議。
“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，我還要繼續我的沙塵之旅，因為追求科學真理的腳步永不停歇。”黃寧表示。
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