近期，蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院教授黃寧受邀擔(dān)任天問(wèn)三號(hào)任務(wù)火星沙塵暴專題工作組專家，備受關(guān)注。

從風(fēng)沙肆虐的西北戈壁到海拔4700米的雪域高原，從新能源安全到遙遠(yuǎn)神秘的火星……三十余年來(lái)，黃寧團(tuán)隊(duì)始終以基礎(chǔ)研究破解國(guó)際難題，以成果轉(zhuǎn)化服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略，走出了一條扎根西部、服務(wù)國(guó)家的產(chǎn)學(xué)研用之路。

一場(chǎng)黑風(fēng)暴，開(kāi)啟風(fēng)沙電研究

20世紀(jì)90年代，甘肅金昌爆發(fā)特大黑風(fēng)暴，損失高達(dá)7.25億元。正準(zhǔn)備攻讀博士的黃寧，被導(dǎo)師鄭曉靜問(wèn)了一個(gè)問(wèn)題：“你愿意把理論知識(shí)和現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái)，做風(fēng)沙電相關(guān)研究嗎？”

長(zhǎng)期以來(lái)，風(fēng)沙防治大多靠經(jīng)驗(yàn)、靠試探，防護(hù)成本高、效果差，甚至經(jīng)常誘發(fā)新隱患。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)沙塵暴中風(fēng)沙電現(xiàn)象的研究幾乎一片空白。但見(jiàn)識(shí)過(guò)黑風(fēng)暴威力的黃寧沒(méi)有猶豫：“作為一個(gè)西北人，我想為家鄉(xiāng)做點(diǎn)什么?！?/p>

這一干，就是三十多年。

“基礎(chǔ)研究沒(méi)有捷徑，只能腳踏實(shí)地監(jiān)測(cè)?！睘榱嗣屣L(fēng)沙的“脾氣”，他帶著團(tuán)隊(duì)把觀測(cè)站建在風(fēng)沙肆虐的沙漠深處。從民勤到敦煌、金塔、金昌，數(shù)十個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)、億萬(wàn)級(jí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一步步夯實(shí)研究的基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出復(fù)雜地形地貌與大氣環(huán)境下風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)多物理量高頻同步實(shí)時(shí)觀測(cè)技術(shù)，以及考慮大氣湍流風(fēng)場(chǎng)—沙粒相互耦合與多尺度多物理過(guò)程的數(shù)值仿真技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下風(fēng)沙、風(fēng)吹雪條帶流的數(shù)值模擬，進(jìn)而提出典型風(fēng)沙災(zāi)害防治工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合體系構(gòu)建技術(shù)，徹底改變了“憑經(jīng)驗(yàn)治沙”的傳統(tǒng)模式。

目前，這些成果已廣泛服務(wù)于多個(gè)行業(yè)。從河西走廊到塔克拉瑪干沙漠，從和若鐵路到蘭新鐵路、新疆烏尉高速公路沙漠段和G22公路等重大工程，為交通基礎(chǔ)設(shè)施和沙漠化防治提供了科學(xué)支撐。

近五年，黃寧團(tuán)隊(duì)主持國(guó)家級(jí)、省部級(jí)及產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目10余項(xiàng)，方向覆蓋風(fēng)沙災(zāi)害、積雪水資源、火星環(huán)境力學(xué)、新能源災(zāi)害防控等領(lǐng)域。

聚焦生態(tài)民生，破解行業(yè)痛點(diǎn)

在風(fēng)沙治理領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟后，黃寧的腳步并沒(méi)有停下。

一次，國(guó)家自然科學(xué)基金委黑河流域重大研究計(jì)劃的專家找到他——項(xiàng)目執(zhí)行一年后發(fā)現(xiàn)，要搞懂祁連山的生態(tài)水文，繞不開(kāi)積雪分布這個(gè)核心難題，而國(guó)內(nèi)能把風(fēng)吹雪機(jī)理研究透徹的團(tuán)隊(duì)少之又少。

“風(fēng)沙和風(fēng)吹雪，力學(xué)原理是相通的?！秉S寧接下了這個(gè)挑戰(zhàn)，開(kāi)啟了第二個(gè)科研賽道——高寒山區(qū)積雪水資源研究。

積雪監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期是國(guó)際難題。遙感范圍廣但精度低，地面觀測(cè)精度高卻只是單點(diǎn)數(shù)據(jù)，兩者結(jié)果甚至相差一倍以上。“要解決這個(gè)問(wèn)題，就得往高原上去。”于是，黃寧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在祁連山、青藏高原納木錯(cuò)等地建起了風(fēng)吹雪綜合觀測(cè)站，最高的觀測(cè)站海拔超過(guò)4700米。

克服高原缺氧、極端低溫等重重困難，團(tuán)隊(duì)積累了海量的一手?jǐn)?shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)出“風(fēng)—溫度—濕度—顆?！倍鄨?chǎng)耦合的動(dòng)力學(xué)模擬方法，大幅提升了積雪分布預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，解決了這一全球性的難題。

隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，沙戈荒大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)加速，黃寧發(fā)現(xiàn)了新的行業(yè)痛點(diǎn)：光伏板迎風(fēng)側(cè)被風(fēng)沙掏蝕出深坑，支架基座裸露，板后堆滿黃沙；風(fēng)機(jī)葉片被風(fēng)沙長(zhǎng)期擊打，發(fā)電效率下降，壽命縮短……

傳統(tǒng)的治沙思路解決不了新能源基地的新問(wèn)題。2024年，黃寧牽頭成立甘肅省新能源與生態(tài)環(huán)境協(xié)同創(chuàng)新行業(yè)技術(shù)中心，團(tuán)隊(duì)與三峽集團(tuán)、甘肅電投等企業(yè)深度合作，落地多個(gè)新能源基地風(fēng)沙防控項(xiàng)目，建成覆蓋環(huán)境要素最多的新能源基地風(fēng)沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，破解了這一行業(yè)痛點(diǎn)。

沙研上火星，揭開(kāi)核心謎題

2022年底，我國(guó)“祝融號(hào)”火星車因沙塵累積導(dǎo)致發(fā)電不足，未能按計(jì)劃喚醒。相關(guān)單位找到了黃寧團(tuán)隊(duì)，尋求解決辦法。

火星大氣密度僅為地球的百分之一，按常理吹不起沙，可火星沙塵暴卻能席卷整個(gè)星球、持續(xù)數(shù)月。這也是星際探測(cè)的長(zhǎng)期謎題。

憑借數(shù)十年風(fēng)沙兩相流研究的積累，團(tuán)隊(duì)跳出“有風(fēng)才能起沙”的傳統(tǒng)思維，提出全新機(jī)制：火星晝夜溫差極大，土壤中大量干冰受熱后瞬間升華噴發(fā)，給沙粒提供額外升力，哪怕風(fēng)速很低，也能掀起大規(guī)模沙塵暴。

團(tuán)隊(duì)在低壓風(fēng)洞中模擬火星環(huán)境，用光源照射含干冰的沙床。當(dāng)鏡頭清晰捕捉到干冰升華帶動(dòng)沙粒噴射的瞬間，實(shí)驗(yàn)室一片歡呼——猜想被驗(yàn)證了。

緊接著，黃寧又瞄準(zhǔn)另一塊“硬骨頭”——火星近地表風(fēng)場(chǎng)反演。目前，投放到火星的觀測(cè)站寥寥無(wú)幾，零星的數(shù)據(jù)如同杯水車薪。多年前一場(chǎng)國(guó)際會(huì)議上，有法國(guó)學(xué)者問(wèn)他：能否用地球沙波紋方法反演火星風(fēng)場(chǎng)？

“地球上的規(guī)律不能直接照搬，但力學(xué)的底層邏輯是相通的?！眻F(tuán)隊(duì)結(jié)合火星環(huán)境參數(shù)搭建低壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)上萬(wàn)次數(shù)值模擬，建立三維沙波紋數(shù)值模擬方法，完整復(fù)現(xiàn)火星沙粒運(yùn)動(dòng)與沙波紋演化全過(guò)程，摸清了沙波紋特征與風(fēng)場(chǎng)的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。

團(tuán)隊(duì)用這套方法對(duì)美國(guó)國(guó)家航空航天局火星軌道器拍攝的維多利亞隕石坑影像進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演，成功得出風(fēng)速、主導(dǎo)風(fēng)向數(shù)據(jù)。如今，已獲取大量典型區(qū)域沙波紋的數(shù)據(jù)。今年年初，黃寧受邀在天問(wèn)三號(hào)任務(wù)科學(xué)與應(yīng)用會(huì)議上作了報(bào)告。

扎根西部，初心如磐?！拔覀儗⒗^續(xù)深耕產(chǎn)學(xué)研用一體化創(chuàng)新，為建設(shè)美麗中國(guó)、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)力量?！秉S寧表示。

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)記者 尹曉軍 通訊員 白婉月 魏淵博 5月27日電