2004年，中央電視臺綜合頻道播出的一部名為《國家使命》的電視劇風靡全國。該劇改編自長篇小說《風洞》，講述了20世紀60年代，一批專門研究空氣動力學的軍人付出了常人難以想象的艱辛去征服風洞王國中那一座座科技高峰的故事。通過此劇，很多普通百姓知道了“風洞”一詞。
風洞最早應用於航空業，被稱為航空風洞。20世紀30年代，英國國家物理實驗室開始利用航空風洞研究風對建築和結構的影響，其後，西方國家陸續建設了一些風洞專門進行大氣汙染擴散與質量遷移的研究，這些風洞叫作環境風洞或氣象風洞。
1984年，我國第一座完全自主研發的環境風洞——北京大學2號環境風洞建成並投入運行。運行至今，該風洞在科研、教學以及國家建設等方面都起到了重要的作用，並取得了多項榮譽。北京大學環境科學與工程學院高工林官明是北京大學2號環境風洞實驗室的第5任負責人，自2001年擔任主任以來，他帶領著實驗室完成了大量有關環境空氣動力學方面的研究課題和測量任務，為我國社會經濟發展做出了應有貢獻。
林官明
風洞研究助推環境科學發展
北京大學2號環境風洞實驗室位於北京大學力學大院西北側，物理學院北側，佔地約870平方米，高度8米，風洞總長50米，實驗段長32米、寬3米，能夠高精度地進行大氣擴散、大氣湍流機理、近地表起降塵、近地表防風效應、建築物風荷載與風振動等研究。它是20世紀80年代初為了開展中國的環境科學研究，由北京大學葉文虎教授率領其課題組創建的，已成為中國環境科學研究領域重要的組成部分。
“環境風洞是用來產生人造氣流的管道，其功能在於模擬大氣邊界層流動，因而，涉及大氣邊界層流動的一些科學和工程問題都可以用環境風洞進行模擬，做相關的測量和研究。”1999年，林官明放下手頭的核電站應急事故模擬研究，前往澳大利亞墨爾本大學進行訪問，師從Joubert教授學習風洞模擬研究。之後，他回到北京大學一邊從事研究工作，一邊攻讀博士學位，導師為北京大學2號環境風洞實驗室創建人葉文虎教授。博士畢業後，他留在北京大學2號環境風洞實驗室工作至今。
20多年來，林官明在環境風工程，尤其是大氣汙染擴散研究方面開展了一系列前沿、創新工作，主持過多項有關大氣環境汙染的國家攻關項目以及國內外橫向課題，其測試基礎數據用於許多重大工程，起到了重要的作用。
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目前，我國在很多領域對環境風洞研究都有著重大需求。尤其是在環境科學的教研中，環境風洞是目前國內外都無法替代的重要手段之一，是理解大氣擴散現象的基本工具。
林官明介紹說：“直接對大氣中的汙染物進行測量，耗資巨大，費時費力，而且獲得的往往是特定情況下的測量結果，當外界條件如風速、建築物形狀或地形改變時，現場實驗就很難預測汙染物的遷移擴散規律。風洞實驗方法測量方便、準確、安全，氣流參數如速度、壓力、密度、溫度等易於控制和改變，可滿足各種試驗要求，一般不受天氣變化的影響，可以連續進行試驗，利用率高，實驗費用比較低廉。”
至今，2號環境風洞實驗室在國家基礎設施建設方面已經承接了包括國家大劇院、國家體育場、北京市金融街、北京電視臺、北京商務中心CBD在內的70餘項重要建築風荷載試驗；在安全能源領域，承接了包括山東鄒縣超大型冷卻塔、華能電廠煤棚、聊城電廠冷卻塔等10餘項風荷載試驗；在環境領域，實驗室承接了大亞灣核電站大氣擴散試驗、澳門街區汽車尾氣汙染擴散試驗在內的20餘項重大項目試驗，為環境控制與發展等國家級課題提供了第一手試驗數據。
“在風洞實驗室做實驗研究，很多工作都富有挑戰性。沒有現成的教科書可以參考，也沒有人告訴你該怎麼做，好多試驗完全靠自己去琢磨。”說完，林官明又有些愉快地說道，“但是，在風洞裡面做試驗也很好玩，因為我們要模擬現場，用到的模型都要我們自己設計並製作出來。比如，街區汽車尾氣汙染擴散試驗，我們就做了移動的汽車模型，煤堆起降塵研究中則設計製作了堆起料機的模型，當然這個堆起料機模型得按要求一定時間內運送一定量的煤粉。”
在所有的科研教學項目的背後，風洞的正常運行是順利完成科研教學任務的前提。多年來，在實驗室工作人員的精心維護下，北京大學2號環境風洞實驗室的設備和儀器都工作正常，滿足了風洞實驗所需。
開展幹沉降的前沿研究
在乾燥天氣期間，尤其在乾旱半乾旱地區，幹沉降是大氣顆粒物的主要去除方式，它對區域輻射平衡、地表沉積、深海沉積和全球氣候變化都有巨大的影響，因而正成為大氣環境科學中的一個重要研究領域。
氣溶膠顆粒向地球表面的幹沉降規律在大氣環境科學中屬於基本研究內容之一。湍流邊界層的速度分佈和下墊面空間結構的不規則性導致氣溶膠幹沉降具有很強的隨機性，而顆粒物粒徑和密度的不同以及微氣象條件的多變使得幹沉降過程更加複雜。目前國內外對幹沉降速度的物理意義仍缺乏深入研究，相應的基礎數據也比較少。
早在2000年，林官明攻讀博士學位時就已經對大氣顆粒物的運動規律進行了初步探索，並且與導師葉文虎教授多次討論邊界層湍流的影響。在北京大學2號風洞從事實驗工作後，林官明繼續對“壁面猝發湍流對顆粒物起塵機理”進行了較為深入的理論研究，相關成果已發表在2008年的《中國環境科學》期刊。
2017年5月到2018年12月，在武威的騰格裡沙漠，林官明作為現場實驗人員參與了“長江生態遙感分析和沙塵重汙染起塵機理研究”項目，協助任陣海院士探索風沙起塵的機理，在大氣顆粒物實驗研究方面積累了較豐富的經驗，為後期的實驗研究奠定了較好的基礎。他還與任陣海院士共同研究了室內顆粒物的穩態置換流的淨化機制，引起了國外同行的高度重視。
2018年，在大氣氣溶膠幹沉降方面，林官明團隊還開展了自由探索課題“典型下墊面比表面積與幹沉降速度的關係”，已初步建立了一個幹沉降速度模型。在研究過程中林官明團隊發現，國內外幾乎沒有研究涉及幹沉降速度與顆粒物物理運動速度以及參考高度之間的關係，並且缺乏同時測量多種下墊面的系統資料，顆粒物幹沉降的數值模擬與實測結果相差甚遠。
因此，基於前期在幹沉降方面所做的工作，林官明開展了“大氣湍流作用下氣溶膠幹沉降特徵”的實驗研究，項目將以現場測量為主，輔以數值實驗和理論分析，對幹沉降速度與顆粒物物理運動速度之間的內在聯繫，剪切應力和湍流強度的垂直分佈規律及其對幹沉降過程的影響進行較為細緻的研究，進而提出新的幹沉降參數化方案，以完善氣溶膠幹沉降的研究理論，促進大氣環境科學的進一步發展。該項目研究在國內外屬於比較前沿的研究。其創新之處在於：揭示幹沉降速度的物理意義，提出幹沉降參數化方案。
科研站在好奇的背後
亞里士多德說，“古往今來人們開始哲學探索，都應起於對自然萬物的驚異”，林官明對這句話有著深切的認同。在他看來，好奇是科學的源動力，因為好奇，哲學家才會思索人生的真諦，科學家才會探索宇宙的奧秘。
瞭解林官明的人都知道，他是一個喜歡“玩兒”的人。他的很多決定都是基於“好玩兒”的初衷。他從小就愛問為什麼，對各種自然現象充滿好奇，看著父親做木工，他也喜歡動手做一些小物件，還帶著兩個妹妹用土法熬硝做火藥。中學時，他曾將高中物理的所有實驗全部做完，期間，物理老師周良襄乾脆把學校物理實驗室的鑰匙交給了他。這些經歷造就了他超強的動手能力。
1987年，林官明以優秀的成績考進北京大學力學系。“當時選專業是有些盲目的。高考前，我在中學的圖書館看了一本《八大科技領域巡禮》的書，當時覺得力學挺好玩兒，就選擇了這個專業。”大學畢業後，林官明因偶然的機會進入北京大學環境科學中心工作。由此，研究方向轉向環境空氣動力學方面。
談及轉向環境科學研究的原因，林官明先講到了他中學時的見聞：“我讀的中學是臨汾一中，學校臨近汾河，週末時我總是去河邊玩。20世紀80年代的汾河汙染已經很嚴重了，捧一捧水放在沙灘上，水乾以後，都能揭下一層皮。”對此，林官明還專門寫了幾篇有關環境汙染的作文。上大學後，他選修了“環境科學概論”課，讓他對環境科學有了更多的認識，也對環境科學產生了很大興趣。
林官明坦言道：“做研究需要有興趣做基礎，因為科研是一個漫長而艱難的探索過程，在這個過程中很多時候都是沮喪和挫敗的。如果沒有興趣作為基石，很難持久地堅持下去。”尤其是做實驗研究，極其需要耐心與恆心，接觸的東西也十分複雜，“如果你覺得好玩兒，那你就不覺得苦，結果出來的那一刻，真的會很開心。”
當然，這種開心的背後，是對“創新”和“自力更生”這兩種本領的掌握。在實驗過程中，對軟硬件的掌握全靠自己，很多時候，還要根據理論的指導和實驗的需求，自己動手做出所需要的裝置和模型。近期，林官明正在做的一個完全自動採樣的裝置就是“無中生有”。他說：“創新不能墨守成規，尤其要鼓勵‘不聽話’的孩子，跳出框架和束縛，才能更好地實現創新。”
近幾年，林官明在做風洞試驗的過程中由堆料後的沙紋聯想到沙漠裡的沙紋、天上的雲街、鳴沙，規律性的空間分佈背後一定有其必然性，興趣促使他思索。“這是不由自主的思考，我喜歡思考。沙紋很有規律，沙丘也很有規律，我就覺得好玩兒啊，就想知道這是為什麼呢？沙鳴又是怎樣產生的呢？然後，我就去研究了。”
在騰格裡沙漠中進行與沙紋研究有關的表面波測量
很多人對他的鑽研行為不理解，問他：“你研究這個有什麼用嗎？”面對這些疑問，林官明也表現出了不理解，他說：“我不喜歡別人問我你研究的這個東西有什麼用，為什麼一定要有什麼用呢？我看見一個現象，然後搞清楚為什麼，這就很有意義，很好玩，不是嗎？”
覺得好奇就去研究，覺得好玩兒就去研究，對林官明來說，很多時候，研究就是如此單純，僅僅是他想知道原因，然後他就投入精力去探索，去找尋。
揭開鳴沙的神秘面紗
鳴沙現象最早見諸文獻《三秦記》：“河西有沙角山，峰崿危峻，逾於石山，其沙粒粗，色黃，有如干躇。又，山之陽有一泉，雲是沙井，綿歷今古，沙不填之。人慾登峰，必步下入穴，即有鼓角之音，震動人足。”《敦煌錄》載：“鳴沙山去州十里，其山東西八十里，南北四十里，高處五百尺，悉純沙聚起。此山神異，鋒如削成。其間有井，沙不能蔽。盛夏自鳴，人馬踐之，聲振數十里。風俗端午日，城中士子女皆躋高峰，一齊蹙下，其沙聲吼如雷。”馬可波羅在其遊記中也記載了在沙漠中聽到的神奇的聲音。20世紀前後，Nature也對鳴沙有連續的報道。鳴沙現象曾一度蒙著一層面紗，人們不知道聲音從何而來。
從對沙鳴現象產生興趣到文章寫出來，林官明花了2年多的時間。他結合理論與計算，建立沙坡表面沙粒運動模型，對鳴沙的發聲機理進行了研究。林官明發現沙粒的協同進行是鳴沙現象形成的根本機理。
沙漠沙紋
將沙堆的沙流分層，最外表面可自由運動的一層稱為自由層，而較自由層低的一層稱為參考層。假設自由層中，相鄰的兩顆沙粒受到擾動，開始沿沙坡向下運動，如果它們步調一致，兩者不會相撞；如果後者速度快，追上了前者，那麼二者碰撞，後者把動量傳遞給前者，前者加速，後者減速，以此類推，位於沙流鋒線的沙粒總能夠較快地達到穩定的運動；如果後者速度小，那麼對前者不會產生影響。這樣，沙坡上的沙粒最終按鋒線沙粒的移動速度下行，達到頻率自鎖。“沙粒同步下滑是一個快速適應的過程，從計算過程看，歷經5次碰撞或5個沙粒粒徑即可協同。”即便沙粒粒徑不十分均勻，只要運動時，從一個沙粒正上方到下一個沙粒正上方所需的時間比較接近，沙粒仍會自行協同進行速度，從而整體上達到同步，形成共鳴。
進一步，若自由層沙粒基本勻速同步進行，則它們對參考層沙的作用基本均勻，因而誘發參考層沙的運動必然也是均勻的，以此類推，得到近似線性的沙流速度剖面。自由層沙與參考層沙的相對移動過程看上去更像是兩層砂布的摩擦，顆粒之間相對位置不變，形成了較大的轟鳴聲。
目前，林官明對沙紋的研究還在持續，他認為沙紋、雲街的產生是表面波的體現，“當然，這只是一種假設，還需要理論和實驗驗證”。
為環境倫理學投入一份力量
林官明稱自己是一個“不安分者”，這不但體現在他在本職工作內的創新能力，還體現在其他方面的工作上。林官明曾在國家圖書館看到英文版《環境倫理學》一書，覺得很有意思，就將書的內容講給別人，這使得他與環境倫理推廣結下不解之緣。後來他將這本書慢慢翻譯成中文，以便宣傳環境倫理。再後來，北京大學出版社得知此書有中文譯稿，就聯繫他出版了此書當時的最新版，之後，應北京大學邀請他開講了這門課至今。
林官明曾和《環境倫理學》的原作者有過溝通與交流，他認為這本書的內容多為西方環境倫理思想，欠缺中國內容，所以後來在編寫教材過程中他加入了東方的環境哲學理念。“我為什麼要做這件事呢？其中的一個原因是，進行環境科學研究多年，我覺得很多環境問題的解決是不能單單靠科學技術完成的，它也應該從人的環境意識上去努力，環境倫理正是從道德的方面來進行研究的。”
環境問題是一個需要集各方之力，全民行動起來解決的問題。林官明說：“我並沒有打算做這方面的深入研究，我只是一個‘喇叭車’，將我知道的東西傳播出去，普及開去。”
近期，北京大學正在昌平地區新建一個環境風洞實驗室，林官明希望自己能早日將實驗室建設好，儘快投入科研運行。在這個新的環境風洞中，他們還打算進行氣與水的界面的汙染物交換研究。他坦言：“攻克這一新方向其實並不容易，有太多的理論與技術問題需要解決，但是我還是有信心的，希望可以在這方面做出新的成果。”
來源：《科學中國人》2019年08月（下）
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