和沙尘打交道，他从地球干到了火星

原创叶满山中国科学报 2024-02-01 08:13 发表于北京

文｜《中国科学报》见习记者叶满山

在遥远的西北，沙漠与雪地总是不断交织。在风的吹拂下，这两种地表的微小颗粒能引起巨大变化，从而形成沙尘暴、雪暴等自然灾害，对人们的生活造成极大困扰，威胁人们的出行安全。

兰州大学土木工程与力学学院教授黄宁从流体力学入手，深入研究颗粒在风的作用下的运动规律，探索预防和消除沙尘暴、雪暴等问题的有效方法。通过实地观测、实验分析等方式，他发现颗粒的运动与风的速度、方向以及地形等因素密切相关，通过改变颗粒的排列和结构，可以有效减少风的作用力。

黄宁（左）在沙漠考察。受访者供图

西部出发，从沙尘开始

1984年，黄宁选择力学专业，开启了学以致用的探索之路。这一选择源于当时系主任的一句话：“将数学作为工具应用到其他学科，可以更好地造福人类。”

然而，真正的挑战才刚刚开始。

1997年，年轻的黄宁站在人生的十字路口，怀揣对知识的渴望和对未来的憧憬，准备踏入博士研究阶段的大门。那一年，他拿到了导师郑晓静（2009年当选中国科学院院士）的研究课题——风沙两相流现象。这是国际学界最具挑战性的难题之一，也是重大国家需求。

风沙电现象，充满着神秘和未知。在风沙暴中，沙粒之间相互碰撞、摩擦产生静电，形成了独特的风沙电现象。这一看似微不足道的现象，却对整个风沙运动有着深远影响。对于这个选题，黄宁感受到的不仅是挑战，更是一种使命的召唤。

“上世纪90年代，中国北方地区面临严重的沙尘暴危害，对于沙尘暴中风沙电研究，国内还是一片空白。”黄宁表示，作为一名西北人，他想为家乡做些什么。

黄宁深知，这个选题非常前沿，也十分迫切。沙尘暴灾害是环境灾害中亟待解决的难题，全球都在寻找解决之道。揭示风沙电现象的奥秘，或许就是消除沙尘暴灾害的关键所在。

为了深入了解各地的风沙活动，黄宁带领团队在甘肃敦煌、金塔、金昌等地设立观测点，长期进行定点观测，他们记录数据、拍摄照片，积累了大量的第一手资料。同时，他们还利用数值模拟技术模拟风沙运动过程，以期更深入理解其成因和特征。

在科研之路上，他们常常与危险不期而遇。一次，正当他们例行观测时，天空突然变暗，风力骤然加大。这是黑风暴来临的征兆。黑风暴是沙漠中一种极端天气现象，威力足以将整支研究队伍吞没。黄宁知道，此时与外界的联系已经中断，他们被困在了沙漠深处。

面对这样的危险，黄宁并没有惊慌失措。他迅速组织团队，采取一系列紧急措施保护人身安全，并防止沙尘暴对仪器造成损害。同时，他们密切关注风暴动向，寻找最佳逃生路线。

在接下来的几个小时里，黄宁和团队成员与黑风暴展开了一场生死较量。黑风暴的威力超出了他们的想象，整个天空被沙尘笼罩，能见度几乎为零。最终，在漫长而艰难的等待后，风暴终于逐渐减弱，黄宁和团队成员凭借勇气和智慧与风暴抗衡，成功躲过了这场灾难。这次经历让黄宁更加深刻认识到沙漠的威力，也让他更加敬畏自然。

日复一日，年复一年，黄宁和他的团队逐渐摸清了风沙运动的特征和成因，也发现了不同地区之间的差异。

经过20多年的努力，他从防风、阻沙、固沙等角度出发，因地制宜地提出综合治理方案，结合风沙运动的基础理论，将共性与特性相结合，在风沙两相流领域取得了重要研究成果，为理解这一复杂现象提供了重要的科学依据，推动了我国风沙环境力学领域研究，提升了我国在该领域的国际影响力。2018年，黄宁与导师周又和（2021年当选为中国科学院院士）、郑晓静一起获得国家自然科学奖二等奖。

学以致用，从铁路开始

兰新铁路西段全长123公里，这个区间一年有300多天都在刮8级以上大风，12级风说刮就刮，被称作“百里风区”。

在这里，大风携带沙尘，严重风蚀路基、桥涵等铁路设施。车窗玻璃被打碎、车体油漆被磨损、货物被吹走，甚至列车脱轨的事故也时有发生。风区的铁路职工们每天都在与风沙搏斗，以保证铁路的正常运营。

黄宁受委托为兰新铁路设计挡风墙，经过反复研究和试验，铁路风向位置上一道坚固的挡墙终于被设计出来。这道挡墙以低成本为前提，最大限度避免了强横风造成列车倾覆的危险，起到了非常好的防护效果。

然而，10年后，新问题出现了。挡风墙虽然挡住了强风，却加重了其防护的铁轨区域的积沙问题。面对新挑战，黄宁再次深入开展研究，弄清了积沙加重的原因和机制，并给出了解决方案。

兰新铁路挡风墙试验的成功，让他第二次与铁路保护结缘。

沿着世界第二大流动沙漠——塔克拉玛干沙漠南缘由西向东的铁路，约有3/4路段在沙漠中。这是世界上首条环沙漠铁路，风沙对铁路建设和运营危害严重。

在这里，黄宁与团队顶着烈日、风沙，经过无数次试验和修正，成功开发出适用于该区域沙漠地表的铁路风沙运动计算模型与程序，为防沙治沙工程提供科学依据。

他发现，风向、沙粒的粒径和分布等因素都会影响风沙的运动轨迹。在此基础上，黄宁提出了防沙治沙的优化设计方案，建议采用特定植被、建设挡风墙和排水系统等，减少风沙对铁路的影响。这些方案不仅提高了铁路的安全性，还为当地的生态环境保护提供了有益借鉴。

由于黄宁发表的一篇关于风沙的学术论文，美国探索频道的编辑联系到黄宁，希望他接受一次专访。对此，黄宁欣然接受。他希望借此让全球更多人了解风沙研究的价值与环境保护的重要性。

“沙漠是自然界较为典型的一种地貌类型。我们对这片区域充满好奇，因为它有太多未知，这是我们工作的动力。”黄宁说。

探索未知，向火星出发

祁连山，中国西部的一颗明珠，其积雪是河西走廊的主要淡水资源，不仅关乎当地居民的生活，更关乎整个亚洲的生态平衡。随着全球气候变化加剧，祁连山的积雪状况备受关注。

近年来，黄宁逐渐将研究重点从风沙转向积雪，通过遥感监测和实地考察，深入研究了祁连山积雪的分布和变化规律。

在崇山峻岭间穿梭，在茫茫雪原上跋涉，黄宁团队收集了大量数据和样本，并揭示了这些高寒山区积雪水资源的分布规律和演化机制，研究成果不仅为科学评估这些地区的水资源奠定了理论基础，也为生态保护提供了技术支撑。

在下一步计划中，黄宁已将研究视野扩展至遥远的火星，这源于地球与火星沙尘间的神秘联系。

火星沙尘暴规模大且持久，对探测任务构成严重威胁。他深知，理解这些沙尘的起因、运动规律及其对火星气候和地质的影响，对未来的火星探测任务至关重要。

“沙尘暴是火星上的一种常见现象，可以覆盖整个星球表面，影响太阳辐射吸收和行星大气层的温度分布。这些沙尘暴与地球上的沙尘暴不同，它们的规模更大，持续时间更长，可以持续数月之久。”黄宁说，“由于火星沙尘颗粒的硬度较高，它们在高速运动中会对探测器表面造成严重的磨损。”

黄宁团队与澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室合作，通过实验观测和数值模拟，分析不同粒径和速度的沙尘颗粒对探测器表面的磨损程度，提出了定期清洁镜片和使用防尘涂层等防护建议。此外，为提高机械部件的抗堵塞性能和寿命，他们提出了优化相关仪器的机械结构、使用防尘材料等改进建议。

“科研不是一条坦途，但我总是乐此不疲，在探索未知的路上，与收获成果的喜悦相比，一切困难都是微不足道的。从地球到火星，我还要继续我的沙尘之旅，我追求科学真理的脚步将永不停歇。”黄宁说。

《中国科学报》 (2024-02-01 第4版人物)

编辑 | 赵路

排版 | 郭刚

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