http://hdl.handle.net/10138/18070 2017-07-10T08:12:06Z http://hdl.handle.net/10138/192016 Projected climate change impact on fire risk and heavy snow loads in the Finnish forests Lehtonen, Ilari The aim of this work was to study the climate change impact on two specific abiotic risks affecting forests in Finland: fires and heavy snow loads. Approximately 1000 forest fires occur annually in Finland, but thanks to effective fire suppression, the average size of fires is only about 0.5 ha. Occasionally, heavy snow loading causes forest damage, which reduces stand quality in boreal forests experiencing cold winters. In Finnish forests, snow damage occurs most commonly in the eastern and northern parts of the country. The basic tools used in this work to evaluate the climate change impact were climate models. In addition, observational weather data and fire statistics were used. In evaluating the forest fire risk, the Canadian Fire Weather Index (FWI) system was used. Snow load amounts were estimated mainly by applying a snow load model developed at the Finnish Meteorological Institute (FMI). The results indicate that forest fire risk will most likely increase in the future due to increasing temperature and enhanced evaporation. However, there is large uncertainty regarding the rate of change, which originates from the differences between climate model responses to the same radiative forcing. Moreover, an increase in forest fire risk will at the same time increase the risk of conflagrations. Crown snow loads were projected to become heavier in northern Finland and in the regions of Kainuu and North Karelia next to the Russian border. In southern and western Finland the risk of snow damage is expected to decrease. The largest decrease in the risk is projected to occur in coastal areas. In the areas expected to experience increased risk of snow damage, conditions favouring both heavy wet snow loading and rime accretion were predicted to become more common. The results of this work can be utilized when considering climatically-driven risks in forest management.; Tämän työn tavoitteena oli tutkia ilmastonmuutoksen vaikutusta kahteen metsiä uhkaavaan abioottiseen riskiin Suomen oloissa: metsäpaloihin ja raskaisiin lumikuormiin. Metsäpaloja Suomessa esiintyy vuosittain noin 1000, mutta tehokkaan palojen torjunnan ansiosta yksittäisissä paloissa keskimääräinen paloala on vain noin 0.5 ha. Lumi aiheuttaa ajoittain metsikön arvoa alentavia tuhoja boreaalisissa metsissä. Suomessa lumi-tuhoja sattuu useimmin maan itä- ja pohjoisosien metsissä. Ilmastonmuutoksen vaikutuksen arvioinnissa hyödynnettiin ilmastomallien tuloksia. Lisäksi työssä käytettiin säähavaintoaineistoja ja tilastoja metsäpaloista. Metsäpaloriskin arvioinnissa käytettiin Kanadassa kehitettyä FWI-indeksiä (Fire Weather Index). Lumikuormien arvioimisessa sovellettiin puolestaan Ilmatieteen laitoksella kehitettyä ja operatiivisesti käytössä olevaa lumikuormamallia. Tulosten perusteella metsäpaloriski tulee tulevaisuudessa todennäköisimmin kasvamaan kohonneiden lämpöti-lojen voimistaman haihdunnan takia. Muutoksen voimakkuudessa on kuitenkin suurta epävarmuutta. Tämä johtuu siitä, että eri ilmastomallien tulokset poikkeavat toisistaan samallakin säteilypakotteella. Joka tapauk-sessa kasvava metsäpaloriski lisää myös suurpalojen todennäköisyyttä. Puiden lumikuormien ennakoitiin kasvavan Pohjois-Suomessa sekä Kainuun ja Pohjois-Karjalan maakunnissa. Etelä- ja Länsi-Suomessa lumituhojen riskin ennakoidaan pienenevän, eniten rannikkoseuduilla. Alueilla, joilla lumituhojen riski näyttäisi kasvavan, otollisten olosuhteiden sekä märän lumen että huurretykyn kertymiselle ennakoitiin yleistyvän. Tämän väitöskirjatyön tuloksia voidaan hyödyntää metsänhoidossa ilmastollisten riskien huomioonottamises-sa. 2017-08-12T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10138/190441 Advances in D-bar methods for partial boundary data electrical impedance tomography : From continuum to electrode models and back Hauptmann, Andreas Electrical impedance tomography (EIT) is a rather new approach to medical imaging that is motivated by using electricity to determine the inside of a body. The clear advantage lies in the usage of harmless electric currents, in contrast to the ionizing radiation of X-rays, whereas the mathematical problem is inherently more challenging. In EIT we seek to reconstruct an image of the inner organs by determining their conductivity, i.e. how well electricity is conducted. As a medical imaging modality it is most promising in pulmonary and cardiac imaging, due to considerably different conductivity values in the air filled lungs (low conductive) and the blood filled heart (high conductive). EIT is in principle capable of monitoring the respiratory process, detecting pathologies in the lungs, and monitoring the heart activity. The main focus of this work is on the partial-boundary problem in EIT, that means one has only access to a certain part of the boundary and data can only be collected there. In a hospital setting these situations can arise when monitoring a critical or unconscious patient and hence one can only access the front of the torso (ventral position). Furthermore, practical complications can arise due to faulty, dislocated, or dispatched electrodes and hence leading to incomplete data. The methods presented in this thesis are capable of dealing with such incomplete data. Following the tradition of mathematical research we are also interested in quantifying the error incomplete data introduces to the reconstruction. In a short summary, this thesis investigates how to improve EIT reconstructions from partial-boundary data by utilizing concepts from an ideal mathematical setting as well as how to apply these methods to real electrode models and measurement data.; Sähköinen impedanssitomografia (engl. electrical impedance tomography, lyh. EIT) on kohtalaisen uusi lääketieteellisen kuvantamisen muoto, jossa potilaan sisälle pyritään näkemään heikon sähkövirran avulla. Verrattuna ionisoivaan säteilyyn, kuten röntgensäteilyyn, EIT-kuvantaminen on potilaalle vähemmän haitallista. Kääntöpuolena on tähän kuvantamismuotoon liittyvän matematiikan haastavuus. EIT-kuvantamisessa tavoitteena on tutkia potilaan sisäelimiä selvittämällä niiden sähkönjohtavuus, eli se kuinka hyvin sisäelimet johtavat sähköä. Lääketieteellisen kuvantamisen muodoista se soveltuu erityisen hyvin sydämen ja keuhkojen kuvantamiseen. Tämä johtuu siitä, että sisään hengittäessä keuhkoissa on paljon ilmaa ja toisaalta sydämessä paljon verta. Siksi keuhkojen sähkönjohtavuus on huomattavasti sydäntä pienempi. EIT:llä voidaan tarkkailla potilaan hengitystä, keuhkojen fyysisiä vikoja sekä sydämen aktiivisuutta. Tämän työn pääteemana on EIT-kuvantamisen osittaiset reuna-arvo-ongelmat. Tämä tarkoittaa sitä, että mittauksia tehdään vain osassa mitattavan kappaleen ulkopintaa. Sairaalaolosuhteissa eräs esimerkki tällaisesta mittaustilanteesta on kriittisessä tai tajuttomassa tilassa olevan potilaan tutkiminen, jolloin mittaavia elektroneita voidaan asentaa potilaalle ainoastaan rinnan alueelle. Tämän lisäksi EIT-mittauksessa puutteellista mittausdataa saattavat aiheuttaa käytännön mittausvirheet, jotka voivat johtua viallisista, väärin asennetutuista tai väärässä paikassa olevista elektroneista. Tässä työssä esitetyt menetelmät tarjoavat matemaattisia sekä käytännön mittaustilanteissa tarvittavia keinoja edellä kuvattujen ongelmien ratkaisemiseksi. Matemaattista traditiota noudattaen olemme myös kiinnostuneita kvantifioimaan puutteellisen datan avulla tehtyjen rekonstruktioiden virheellisyyttä. Tiivistäen, tässä työssä tutkitaan kuinka parantaa EIT-kuvantamisen avulla tehtyjä rekonstruktioita, kun vaillinaiset mittaukset on tehty vain osassa kappaleen ulkopintaa. Ratkaisemme matemaattisen ongelman ja sovellamme tämän ongelman ratkaisua todellisen maailman mittausongelmiin. 2017-06-20T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10138/187229 Investigation of ThO2 as a structural analogue for spent nuclear fuel dissolution under repository conditions Myllykylä, Emmi Currently, the preferred option for the long-term disposal of spent nuclear fuel (SNF) and potentially for future thorium-based fuels in Finland and Sweden is disposal in a geological repository. In deep bedrock, the release of Th, U and other radionuclides through man-made barriers and the geo- and biosphere will be controlled by the dissolution of the fuel by groundwater. Thorium dioxide is isostructural to uranium dioxide, sharing the same fluorite structure (space group Fm3m) and making it a useful analogue material for nuclear fuel, which mainly consists of UO2 (>95%). This thesis aimed to investigate the dissolution of ThO2, which was synthesised to approximate as closely as possible the microstructure of UO2 in a nuclear fuel matrix. The investigation consists of dissolution studies conducted using pellets, fragments (2 to 4 mm) and particles (80 to 160 µm) of 232ThO2. The evolution of dissolving surfaces and grain boundaries were examined by combining different microscope imaging techniques (scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), SEM with electron backscattering diffraction detector (SEM-EBSD) and profilometer imaging). Part of the dissolution experiments were conducted in the presence of a 229Th tracer to gain additional data on the dissolution and precipitation by following the change in isotopic ratio 229Th/232Th. Furthermore, the pellets from these experiments were measured with direct alpha spectrometry to estimate the contents and thickness of the 229Th-rich layer formed on the pellet surface. The results of all dissolution studies showed a relatively fast release of thorium during the early stage of the experiment followed by a slow decrease in the thorium concentration and suppression of the dissolution rate as the experiments continued over 100 days. Microscopic studies revealed that the grain boundaries play a significant role in the initial release of thorium. It was also observed that the different surfaces of thorium dioxide particles behave differently either dissolving, precipitating or showing an almost inert nature, most likely due to the different surface energies of the heterogeneous material. High-resolution (sector field) inductively coupled plasma mass spectrometry (SF/HR-ICP-MS) was used for the thorium isotope analyses of leached solutions. The developed method was powerful for analysing thorium isotopes. In addition, alpha spectrometry was used for thorium analysis for comparative purposes. The alpha spectrometry yielded a lower detection limit for 229Th and a higher detection limit for 232Th than SF-ICP-MS, which was 1 x 10-12 mol for both isotopes. Thus, these methods provided comparable results for the analysed 229Th concentration. However, the chemical separation needed before alpha spectrometry is very time consuming compared to the sample preparation necessary for HR-ICP-MS. When combined with simulations, direct alpha analysis confirmed that during leaching a new layer, with a maximum thickness of 0.1 µm, formed on the surface of ThO2 pellets. Alpha spectrometry also provided interesting insight into the dissolution and co-precipitation behaviour of 229Th and 232Th decay series daughter nuclides. The surface layer contained not only 229Th and its daughters, but also an elevated concentration of daughters from the 232Th decay series, indicating that they were first released from the bulk during the leaching experiment, subsequently co-precipitating or adsorbing onto the surface of the pellet.; Tällä hetkellä geologinen loppusijoitus on todennäköisin vaihtoehto käytetylle ydinpolttoaineelle niin Suomessa kuin Ruotsissakin. Sama konsepti on potentiaalinen myös mahdollisille tulevaisuuden torium- pohjaisille polttoaineille. Polttoaineen liukoisuus pohjaveteen määrää uraanin, toriumin ja muiden radionuklidien vapautumista eri vapautumisesteiden ja geosfäärin läpi aina biosfääriin asti. Toriumdioksidilla (ThO2) on samanlainen fluoriittityypin kiderakenne kuin uraanidioksidilla. Tämän takia ThO2:ia voidaan käyttää analogimateriaalina myös tutkimuksissa, jotka koskevat pääosin uraanioksidista (UO2 > 95 %) koostuvaa polttoainetta. Tämän väitöskirjan päämääränä oli tehdä liukoisuustutkimuksia sellaisella syntetisoidulla toriumoksidilla, jonka mikrorakenne muistuttaa mahdollisimman tarkasti käytetyn polttoaineen UO2:n mikrorakennetta. Tutkimus sisältää ThO2-pelleteillä, -murskeilla (2 - 4 mm) ja -partikkeleilla (80 - 160 µm) tehtyjä liukenemiskokeita. Liukenevien pintojen ja raerajojen kehittymistä/muuntumista liuotuskokeissa seurattiin erilaisin mikroskooppisin kuvantamistekniikoin (elektronimikroskopia (SEM), atomivoimamikroskopia (AFM), SEM-mikroskopia varustettuna elektronien takaisinsirontadiffraktiodetektorilla (SEM-EBSD) ja profilometrinen kuvantaminen). Osa liukenemiskokeista tehtiin siten, että liuosfaasiin oli lisätty 229Th- merkkiainetta, jotta saataisiin lisätietoa liukenemisesta ja saostumisesta seuraamalla 229Th/232Th -isotooppisuhdetta. Merkkiainekokeista saatujen pellettien pinnan koostumusta ja muodostuneen pintakerroksen paksuutta arvioitiin mittaamalla ja mallintamalla alfaspektri suoraan pellettien pinnasta. Kaikki liukoisuuskokeet osoittivat, että torium liukenee suhteellisen nopeasti kokeiden alkuvaiheessa. Alkua seuraa toriumkonsentraatioiden hidas lasku liuoksessa ja liukoisuuden väheneminen, kun kokeita jatkettiin yli 100 päivää. Mikroskopialla tehdyt tutkimukset paljastivat, että raerajoilla oli merkittävä rooli alussa tapahtuvassa toriumin vapautumisessa liuokseen. Pintatutkimukset osoittivat myös, että samoissa koeolosuhteissa eri partikkelit ja pellettien/palasten? pinnat voivat käyttäytyä eri tavoin: joko liueta, saostua tai pysyä muuttumattomina. Tämä johtuu hyvin todennäköisesti niiden erilaisista pintaenergioista ja materiaalin heterogeenisestä luonteesta. Toriumin isotooppien pitoisuuksien määrittämiseen koeliuoksista käytettiin korkean erotuskyvyn induktiokytketty plasma -massaspektrometriaa (HR-ICP-MS). Kehitetty menetelmä oli tehokas toriumisotooppien määrittämiseen. Isotooppien pitoisuuksien vertailevana määritysmenetelmänä käytettiin alfaspektrometriaa, jolla on matalampi määritysraja 229Th-isotoopille ja korkeampi määritysraja 232Th-isotoopille kuin massaspektrometrilla. Massaspektrometrin määritysraja on tässä tapauksessa molemmille toriumisotoopeille 1 x 10-12mol/L. Mittausmenetelmät antoivat yhteneviä tuloksia 229Th-konsentraatiolle. Alfaspektrometrian edellyttämä kemiallinen erotus on kuitenkin vaivalloista ja aikaa vievää verrattuna ICP-näytteiden valmistukseen. Toriumoksidipellettien alfaspektrometrinen määritys yhdistettynä Monte Carlo -simulaatioihin osoitti, että liukenemiskokeiden aikana 232ThO2-pellettien pinnalle syntyi uusi pintakerros, jonka paksuus oli maksimissaan 0.1 µm. Alfaspektrometriatuloksista voitiin myös nähdä, että 229Th:n ja 232Th:n hajoamissarjojen tytärnuklidit liukenevat ja kerasaostuvat liuotuskokeissa: uusi pintakerros sisälsi nimittäin 229Th:n ja sen hajoamissarjan tytärnuklidien lisäksi myös kohonneita pitoisuuksia 232Th-sarjan tytärnuklideja. Tämä tarkoittaa, että 232Th:n tyttärien on ensin täytynyt vapautua pelletin sisältä liuotuskokeen aikana, minkä jälkeen ne ovat saostuneet tai adsorboituneet 232ThO2-pelletin pintaan. 2017-06-06T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10138/186254 Bioactive and protective polyphenolics from roots and stumps of conifer trees (Norway spruce and Scots pine) Latva-Mäenpää, Harri The current era of bioeconomy strives to develop new, innovative products from natural raw materials in a sustainable way. In this PhD thesis, we have searched potential bioactive compounds from different parts of the neglected roots and stumps of conifer trees for high value products. Our aim was to establish deeper knowledge concerning chemical compositions of specified and defined biomass sources (roots and stumps of conifer trees) as well as the chemistry of certain natural polyphenolic compounds in different conditions. Using methods of natural products chemistry, such as solvent extraction and chromatographic separation and analysis techniques (GC-MS, HPLC-DAD/MS), we found that the root bark of Norway spruce is a rich source of stilbenoid glucosides (astringin, isorhapontin and piceid). These have structural similarities with the most studied stilbenoid, resveratrol. We also found that the stumps of Scots pine are a source of stilbenoids, pinosylvin and its derivatives. Stilbenoids are bioactive compounds and they have shown a variety of beneficial activities in studies related for example to human health. They have also shown antimicrobial and protective properties in trees and also in tests against micro-organisms. The highest concentrations of stilbenoid glucosides were found from the inner bark of the root zones closest to the stem of Norway spruce. This study also revealed that the root neck of Norway spruce is a new source of the bioactive lignan hydroxymatairesinol (HMR). Chromatographic and spectroscopic methods were developed to isolate pure stilbenoids from the bark of Norway spruce roots for further experiments. The complete structural elucidation of stilbenoids from Norway spruce was performed by HPLC-DAD-NMR. The HPLC-DAD method was further optimized to isolate stilbenoids in a semipreparative scale. The invividual stilbenoid molecules were isolated from the extracts and their photochemical stabilities (under fluorescent and UV light) were studied by HPLC-DAD, MS and NMR. Naturally-occurring trans stilbenoids undergo photochemical transformations to cis forms. However, the extended UV irradiation caused stilbenoids to form phenanthrene structures by intramolecular cyclisation. This is the first time that these new phenanthrene structures are reported to be derived from stilbenoids of spruce bark. Our results show that that the roots and stumps of conifer trees contain bioactive polyphenolic compounds, such as stilbenoids and lignans. These molecules and the compounds formed thereof may have commercial value and the information gained would offer a base platform for the possible new commercial high-value products developed from forest biomass. Our study has also provided new scientific knowledge of natural compounds and their properties that may lead to new findings and deeper understanding of the physiology and internal protection processes of plants by their bioactive secondary metabolites. Roots and stumps of conifer trees (Norway spruce and Scots pine) are a vast source of biomass containing potentially bioactive polyphenolic extractives as shown in this work, but this biomass is currently used for low-value energy production only. With already existing harvesting techniques, roots and stumps of conifer trees could be used as a source of commercially valuable biochemicals.; Suomen biotalousstrategian tavoitteena on luoda uusia innovaatioita ja tuotteita perustuen uusiutuvien luonnonvarojen kestävään hyödyntämiseen. Puubiomassasta jalostettavat tuotteet, kuten sellu ja puutuotteet, ovat usein tuotantomääriltään suurivolyymisiä ja kg-hinnaltaan melko alhaisia. Näiden perinteisten tuotteiden lisäksi puuteollisuudesta syntyy erilaisia sivuvirtoja, kuten kuorta ja erilaisia hakkuutähteitä, joita hyödynnetään nykyisin pääosin matalan jalostusarvon energiatuotannossa. Puubiomassa ja erityisesti mainitut sivuvirrat sisältävät selluloosakuitujen lisäksi erilaisia uuteaineiksi kutsuttuja yhdisteitä, joilla on todettu erilaisia mielenkiintoisia ominaisuuksia. Näitä yhdisteitä olisi mahdollistaa hyödyntää kehitettäessä uusia korkeamman jalostusarvon tuotteita esimerkiksi lääke-, elintarvike-, kosmetiikka- tai materiaaliteollisuuden tarpeisiin. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli selvittää kotimaisten havupuiden (kuusi ja mänty) kantojen ja juurten uuteainekoostumusta ja kehittää menetelmiä potentiaalisten yhdisteiden uuttoon, eristämiseen ja analysointiin biomassasta. Työssä hyödynnettiin orgaanisen ja luonnontuotekemian menetelmiä; uuteaineet eristettiin biomassasta uuttamalla ja yksittäiset yhdisteet eristettiin ja analysoitiin hyödyntämällä kromatografisia (GC, HPLC) ja spektrometrisiä (UV, MS, NMR) menetelmiä. Työn aikana kehitettiin myös uusia menetelmiä ja tapoja uuteaineiden analysointiin puubiomassasta. Tässä työssä keskityttiin erityisesti polyfenolisiin uuteaineisiin, jotka toimivat puun omina suoja-aineina ja bioaktiivisina yhdisteinä. Tutkimuksissa havaittiin, että kuusen kuori ja erityisesti runkoa lähimmät suurimmat juuret sisältävät melko suuria määriä polyfenolisia stilbeeniglukosideja (astringin, isorhapontin, piceid). Myös männyn kannoista löydettiin stilbeeni-yhdisteitä (pinosylvin). Löydetyt stilbeeni-yhdisteet ovat rakenteeltaan hyvin samankaltaisia kuin kaikkein tunnetuin stilbeeni-yhdiste, resveratroli, jonka on esitetty olevan esimerkiksi yksi punaviinin bioaktiivisista komponenteista. Näiden stilbeeni-yhdisteiden on osoitettu omaavan erilaisia bioaktiivisia ominaisuuksia esimerkiksi oksidatiivista stressiä vastaan, joten näillä yhdisteillä voisi olla potentiaalista käyttöä esimerkiksi hyvinvointia edistävissä tuotteissa (lääkkeet, lisäravinteet ja kosmetiikka). Antioksidatiivisten ominaisuuksien lisäksi stilbeeneillä on havaittu myös antimikrobisia ominaisuuksia, minkä vuoksi niitä olisi mahdollista hyödyntää erilaisina suoja-aineina. Stilbeenien lisäksi tässä työssä havaittiin, että kuusen juuren niska (kannon ja juurien välissä) on erittäin rikas lähde polyfenolisille lignaani-yhdisteille (hydroksimatairesinoli), jolla on jo nykyään käyttöä erilaisissa terveyttä edistävissä lisäravinnesovelluksissa. Väitöskirjatyössä kehitettiin myös menetelmiä yksittäisten stilbeeni-yhdisteiden eristämiseen biomassasta puhtaina yhdisteinä ja näiden yhdisteiden stabiilisuutta tutkittiin esimerkiksi eri varastointiolosuhteissa ja UV-valon alla. Näissä tutkimuksissa havaittiin, että tutkitut stilbeeni-yhdisteet ovat melko stabiileja uutteessa, mutta muuttavat muotoaan erityisesti UV-valon vaikutuksesta (esim. trans/cis-isomeria). Työssä havaittiin, että stilbeeneistä muodostuu uusia yhdisteitä jatkuvan UV-säteilytyksen seurauksena. Syntyneiden stilbeeni-/fenantreeni-yhdisteiden bioaktiivisista ominaisuuksista ei ole vielä tällä hetkellä tarkempaa tietoa, joten niiden ominaisuudet luovat mielenkiintoisia aihioita jatkotutkimuksille. Näiden tutkimustulosten toivotaan luovan tieteellistä pohjaa biomassasta uutettujen ja eristettävien aktiivisten yhdisteiden jatkokehitykselle uusiksi tuotteiksi. Kaupallistamispotentiaalin lisäksi tämä työ tarjoaa uutta tietoa ymmärtää puiden uuteaineiden kasvifysiologisesta näkökulmasta. Lopuksi voidaan todeta, että havupuiden kannot ja juuret sisältävät yhdisteitä, joista on mahdollista jalostaa uusia funktionaalisia ja korkeamman jalostusarvon tuotteiksi. 2017-05-30T00:00:00Z