Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Uusimmat julkaisut
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Otsoni ja vesihöyry ovat tärkeitä hivenkaasuja ilmakehässä. Vesihöyry on yksi merkittävimmistä kasvihuonekaasuista, sillä se vaikuttaa maapallon säteilytasapainoon sekä moniin kemiallisiin reaktioihin ilmakehässä. Otsoni sen sijaan suojaa ihmisiä ja luontoa liialliselta auringon ultraviolettisäteilyltä. Siksi on tärkeä ymmärtää sekä vesihöyryn että otsonin jakaumat pitoisuuksien muutokset sekä nykyisessä että tulevaisuuden ilmastossa. Vaikka Montrealin protokollan asettamat rajoitukset otsonia tuhoavien CFC-kaasujen valmistukselle ja käytölle ovat saaneet otsonikerroksen tuhoutumisen pysähtymään, kestää otsonikerroksen ennalleen palautumisessa vielä pitkään. Ilmastonmuutos jäähdyttää stratosfääriä, jolloin polaaristratosfääripilvet (PSC) voivat lisääntyä. Tällöin otsonia voi tulevaisuudessa tuhoutua enemmän, vaikka kloorin määrä ilmakehässä olisikin pienempi. Näiden asioiden tutkimiseen tarvitaan ilmakehämalleja, sillä havaintoja stratosfääristä on rajoitetusti, eikä niitä myöskään ole olemassa tulevaisuuden ilmastosta. Tässä tutkimuksessa on stratosfäärin olosuhteiden tutkimiseen käytetty FinROSE kemiakuljetusmallia. Malli on globaali ja se kattaa stratosfäärin. Mallilla voidaan tehdä sekä lyhyitä tapaustutkimuksia että pitkiä, vuosikymmeniä kattavia simulaatioita. Malli tarvitsee syötteeksi meteorologista dataa: tuulen, lämpötilan ja pintapaineen. Tässä tutkimuksessa mallia on ajettu käyttäen ECMWF:n analyysejä tai ilmastomallilla etukäteen laskettua meteorologiaa. Lähtötiedon vaikutusta mallin antamiin tuloksiin tutkittiin, ja sillä havaittiin olevan suuri merkitys tulosten luotettavuuteen. FinROSE:lla laskettuja otsoni- ja vesihöyrypitoisuuksia verrattiin sekä satelliitti- että maanpintahavaintoihin, ja mallin todettiin tuottavan käyttökelpoisia tutkimustuloksia. Käyttämällä ilmastomallin meteorologiaa on ollut mahdollista tehdä FinROSE:lla ennusteita myös tulevaisuuden otsonikadoista. Tutkimuksen tuloksena selvisi, että vesihöyry on lisääntynyt stratosfäärissä vuosina 2006-2012, mutta 2012 jälkeen pitoisuus on vähentynyt. Mallisimulaatiot osoittavat, että vesipitoisuuden lisääntyminen johtuu pääosin kuljetuksesta; enemmän vettä on kulkeutunut tropiikista navoille. Arktisten polaarialueiden kosteassa ilmassa voi ilmastonmuutoksen vuoksi kylmenevässä stratosfäärissä muodostua entistä enemmän polaaristratosfääripilviä (PSC), joiden pinnalla klooriyhdisteet tuhoavat otsonia katalyyttisesti. Viimeisin tutkimus osoitti, että vesihöyry vaikuttaa otsonikatoon arktisella alueella eri tavoin erilaisissa meteorologisissa olosuhteissa. Suurin vaikutus oli kohtalaisen kylminä talvina, jolloin vesihöyrypitoisuuden kasvattaminen lisäsi selvästi otsonikatoa. Tämä johtui polaaripilvien määrän kasvusta ja lisääntyneestä klooriaktivaatiosta. Kylminä talvina vaikutus jäi vähäisemmäksi, sillä klooriaktivaatio oli silloin lähes täydellinen todellisiin havaintoihinkin perustuvalla vesihöyrymäärällä. Tulokset osoittavat, että tropiikin tropopaussin vesihöyryn määrällä on vaikutusta arktiseen otsonikatoon, ja että se on mallinnettava ilmastomalleissa oikein, jotta otsonikato voidaan ennustaa oikein.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)The Higgs boson is a cornerstone of the standard model (SM) of particle physics, thus it comes as no surprise that the announcement of its discovery on July 2012 by ATLAS and CMS marked a very important date for particle physics. All the pieces of the SM have finally been observed and the parameters of the theory measured. However, we know that the SM is far from a complete theory and the fact that the Higgs boson has been, up to date, the only discovery of the LHC may be seen as unfortunate by many. In fact, the LHC is just confirming with exceptional accuracy the predictions of the SM, pushing the scale of new physics to larger and larger values, giving us no hints about its correct extension. Having measured all the parameters of the SM we can assume its validity to an arbitrarily high energy scale and extrapolate its behavior using the renormalization group equations. It turns out that the value of the Higgs mass is low enough to allow this extrapolation and the SM remains consistent up to the Planck scale. However, this computation reveals yet another puzzle: our universe does not lie in the global minimum of the Higgs potential; instead a much deeper vacuum exists at large field values. In principle, quantum tunneling into the true vacuum is possible but fortunately the decay time is much longer than the age of our universe. For all practical purposes our vacuum is not in danger and the decay will not happen any time soon. This peculiar situation is called metastability. Since the decay time is very long, new physics modifying the Higgs potential at high energies is not needed. The situation, however, changes dramatically if we want to understand why the Higgs ended up in such an energetically disfavored state in the framework of big bang cosmology. It is clear that some sort of fine-tuning is required in order to put the Higgs in the false vacuum. Not only that: the evolution of the universe goes through violent periods, such as inflation and reheating, where the Higgs may experience large fluctuations, making it difficult to justify why it did not decay into the true vacuum without assuming the existence of physics beyond the SM (BSM). The Higgs is a natural window into particles which are not part of the SM. In fact, it is the only particle with spin-0 and the only field which can form a dimension-2 gauge and Lorentz invariant operator. Within the SM this property is used to write a mass term for the Higgs which generates spontaneous breaking of the electroweak symmetry, while in BSM models it allows to write interaction terms at the renormalizable level with gauge singlets and with gravity. In this thesis and in the papers attached we explore the effects that these renormalizable BSM operators have on the Higgs dynamics in the early universe. We show that stabilization of the Higgs field can be obtained in models of inflation if we allow the existence of Higgs-inflaton couplings or non-minimal coupling with gravity. The same models are then studied at the reheating stage, when all the particles that compose the present day universe are produced. On the other hand, we also explore the possibility that the Higgs mixes with the inflaton. The mixing can stabilize the Higgs potential at all energies and generates two scalar eigenstates. The lighter one is identified with the boson discovered in 2012 and the other could be observed at the LHC or at future colliders.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Ihmiset vaikuttavat Maan ilmastoon monella tavalla. Ilmakehää lämmittävät kasvihuonepäästöt ja toisaalta siihen vaikuttavat myös ilmakehän aerosolihiukkaset. Tässä väitöskirjassa keskitytään ilmakehän aerosolihiukkasiin. Niiden vaikutus ilmakehään on monimutkainen johtuen niiden nopeista muutosprosesseista ilmakehässä. Osa hiukkasista muodostuu vasta ilmakehässä erilaisten kaasumaisten päästöjen hapettumisen johdosta ja osa pääsee ilmakehään suoraan ns. primääreinä hiukkasina, esimerkkeinä diesel moottoreiden nokihiukkaset tai vaikkapa autiomaiden hiekasta muodostuva pöly. Hiukkaset voivat kasvaa ilmakehässä kun niiden pinnalle tiivistyy höyryjä tai jos ne törmäilevät ja kiinnittyvät toisiinsa. Ne voivat poistua ilmakehästä muun muassa sateen vaikutuksesta tai painovoiman johdosta. Aerosolihiukkasiin vaikuttavat prosessit muodostavat aerosolipopulaatioon monimutkaisen kemiallisen koostumuksen riippuen niiden syntytavasta ja paikasta. Hiukkaset vaikuttavat ilmastoon joko suoraan sirottamalla tai absorboimalla auringon valoa, tai epäsuorasti vaikuttamalla pilvien muodostumiseen. Ilmastovaikutusten lisäksi aerosolihiukkaset voivat vaikuttaa ihmisten terveyteen. Pienimpien hiukkasten on todettu kulkeutuvan jopa ihmisten aivokudokseen saakka hermostoa pitkin. Tässä työssä keskitytään hiukkasten mittausmenetelmiin ja kuinka ne syntyvät ilmakehässä, ja toisaalta kuinka ne muodostavat pilvipisaroita. Kaasu-hiukkasmuuntuma vaikuttaa ilmastoon monella tapaa, mutta se tunnetaan kuitenkin vielä suhteellisen huonosti. Aerosolihiukkaset muodostavat ilmakehässä suuren aktiivisen pinta-alan, joka vaikuttaa monella tapaa ilmakehän kemiallisiin prosesseihin ja tätä kautta vaikuttavat esimerkiksi pilvien tai vaikkapa savusumun syntyyn. Suurin osa hiukkasista syntyy ilmakehässä kaasumaisten aineista niiden hapettumisen ansiosta. Jotta tämä prosessi ymmärrettäisiin, on aerosolihiukkaset mitattava juuri kun ne ovat syntyneet, eli noin 1-2 nm kokoisina. Tässä väitöskirjassa kehitettiin uusia mittaustapoja ja laitteita. Ensimmäinen mittalaite kehitettiin mittaamaan ilmakehälle tyypillisien aineiden ja veden yhdisteiden pintajännityksiä. Mittaustuloksia käytettiin arvioimaan pintajännityksen vaikutusta pilvipisaroiden muodostumiseen pilvimallin avulla. Toinen laite kehitettiin mittaamaan ilmakehän pienimpiä, juuri syntyneitä, aerosolihiukkasia aina 1 nm kokoon saakka. Tämän mittalaitteen avulla pystyttiin ensimmäisen kerran mittaamaan ilmakehässä tapahtuvaa hiukkasten muodostumista kaasuista. Tämän työn avulla pystyttiin todistamaan, että hiukkaset on mitattava juuri kun ne syntyvät, jotta muodostumisprosessi voitaisiin täysin ymmärtää. Lisäksi työssä pystyttiin näyttämään, että ilmakehässä tapahtuva hiukkasmuodostus voi vaikuttaa ilmastoon muodostamalla hiukkasia, jotka pystyvät muodostamaan pilvipisaroita ja lopulta pilviä.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)ABSTRAKTI Tutkimus esittelee uuden kontrolliteorian (Theory of Control Tuning). Teoria osoittaa kontrollin merkityksen muuttoliikkeissä sekä sen, kuinka kontrolli on keskeinen osa muuttoliiketoimijoiden jokapäiväistä elämää. Muuttoliiketoimijoita ovat niin yksilöt kuin ryhmät – maan sisäiset pakolaiset, kansainväliset rajat ylittävät turvapaikanhakijat ja pakolaiset, työ- ja koulutusperäiset muuttajat sekä paikalliset asukkaat ja auktoriteetit joihin siirtolaisuus ja pakolaisuus vaikuttavat. Erilaisia muuttoliiketoimijoita yhdistää sama tavoite, kontrollin käsittely, riippumatta esimerkiksi muuttoliikkeen tyypistä, kestosta, luonteesta tai maantieteellisestä alueesta. Tutkimus siis osoittaa, että muuttoliiketoimijoiden keskuudessa esiintyy samanlainen käytösmalli, on kyseessä sitten kansainvälinen tai maan sisäinen muuttoliike, konfliktin, ympäristönmuutoksen, taloudellisten tai koulutuksellisten syiden aiheuttama tai muiden henkilökohtaisten syiden aikaansaama muuttoliike. Sama käytösmalli esiintyy muuttoliikkeiden osana huolimatta siitä, ovatko muuttoliiketoimijat liikkeessä vai paikallaan. Teoria esittää, että muuttoliiketoimijat ratkaisevat kontrolliin liittyviä haasteita säätelemällä kontrollia suhteessa muuttoliikkeen toimintoihin, kuten paikassa selviytymiseen, auktoriteetin kohtaamiseen, yhteyksien ylläpitämiseen ja tiedon käsittelyyn. Kontrollin säätelyllä tarkoitetaan toimintaa, jossa muuttoliiketoimija muokkaa kontrollia muuttoliikkeen eri vaiheissa ja siihen liittyen, jotta pystyisi hallitsemaan erilaisia tapahtumia, olosuhteita, tunteita, kohteita ja toimijoita. Kontrollin säätely saa aikaan kontrollipolkuja, jotka selittävät monenlaisia kontrollin säätelyn syitä, strategioita, lopputuloksia sekä kontrollin ehtoja ja väliintulevia tekijöitä. Teoria perustuu suoraan empiiriseen aineistoon, joka kerättiin pääasiassa Suomessa, Egyptissä, Sudanissa ja Ugandassa. Teoria esittää uuden tavan ajatella muuttoliikkeitä käsitteellistämällä sekä monialueista primaariaineistoa että sekundaarista aineistoa. Lähestymällä aineistoa osin kokeellisesti klassisen grounded theory –metodologian avulla aineisto oli mahdollista kohottaa kuvailevalta tasolta käsitteelliselle tasolle ja tätä kautta muodostaa uusi teoria suoraan aineiston pohjalta. Tutkimus esittelee aidon monitieteisen ja tieteidenvälisen teorian. Teoria tuo esiin uusia käsitteitä ja ennennäkemättömän tavan ymmärtää ihmisten välisiä suhteita ja muuttoliikkeeseen liittyviä asioita. Tutkimus myös selittää paikan ja tilan ilmenemistä muuttoliikkeissä. Tämän lisäksi tutkimus havainnollistaa erilaisia haasteita liittyen muuttoliiketutkimukseen, varsinkin sen tekemiseen haastavissa tutkimusympäristöissä. Tutkimus sulkee kuilun empiirisen aineiston ja formaalin teorian välillä uuden keskitason teorian avulla. Tämä taas lisää teoreettista ja käytännönläheistä ymmärrystä muuttoliikeilmiöstä. Avainsanat: Kontrollin säätely, kontrolli, siirtolaisuus, pakolaisuus, muuttoliike, turvapaikanhakija, maan sisäinen pakolainen, paikka, tila, paikassa selviytyminen, auktoriteetin kohtaaminen, yhteyksien ylläpitäminen, tiedon käsittely, grounded theory, kvalitatiivinen aineisto, eteläsudanilainen muuttoliike
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Meren virtausolot ja pintakerroksen dynamiikka ovat merkittäviä tekijöitä esimerkiksi silloin, kun selvitetään haitallisten aineiden tai ravinteiden kulkeutumista. Varhaisimmat Itämeren yleistä kiertoliikettä kartoittaneet tutkimukset tehtiin ennen toista maailmansotaa, ja ne perustuivat majakkalaivahavaintoihin. Vaikka havaintoja oli tuolloin käytössä vain vähän, Itämeren pohjoisissa altaissa voitiin pitkällä aikavälillä havaita sykloninen pintavirtauskuvio (ts. pohjoisella pallonpuoliskolla vastapäivään). Sittemmin Itämeren pohjoisosien kiertoliikettä on tutkittu lisää, mutta edelleen tiedoissa on puutteita ja epävarmuustekijöitä. Esimerkiksi havaintoaineistoja on yhä melko vähän ja mittauspisteet ovat harvassa. Lisäksi monet numeeristen mallien prosessikuvauksista perustuvat valtamerillä tehtyyn tutkimukseen, ja mallien syötteenä käytetyissä pakoteaineistoissa – esimerkiksi säätiedoissa – on epätarkkuuksia. Moderneilla analyysimenetelmillä ja uusilla havaintoaineistoilla näitä puutteita pystytään tunnistamaan ja analysoimaan. Tässä tutkimuksessa tutkittiin Itämeren pohjoisosien virtausolosuhteita hydrodynaamisen mallinnuksen avulla. Itämeri on murtovesiallas, ja sen dynamiikka on monimutkaista. Tämä tekee sen numeerisesta mallintamisesta haastavaa. Työssä käytettiin useita mallinnuskonfiguraatioita ja niitä myös kehitettiin kuvaamaan Itämeren olosuhteita aiempaa paremmin. Näihin lukeutui korkean resoluution Suomenlahti-konfiguraatio, joka perustuu NEMO-malliin (Nucleus for European Modelling of the Ocean). Tutkimuksessa käytettiin myös koneoppimismenetelmiä, automaattisten mittalaitteiden tuottamia havaintoaineistoja ja parviennusteita. Suomenlahden virtauskentän ominaispiirteitä analysoitiin itseorganisoituvilla kartoilla eli Kohosen kartoilla (self-organizing map, SOM). Kun Suomenlahden mallinnetuista pintavirtauskentistä laskettiin keskiarvot koko tutkituilta ajanjaksoilta 2007–2013 ja 2012–2014, tuloksissa ei näkynyt aiemmissa tutkimuksissa havaittua syklonista virtauskuviota. Aineistoa SOM-menetelmällä analysoitaessa Suomenlahden virtaukset osoittautuivat hyvin vaihteleviksi ja monimutkaisiksi. Virtauksissa havaittiin paljon sekä vuosien välistä että niiden aikana tapahtuvaa vaihtelua. Mallin tuulipakotteen ja SOM-analyysin tuottamien karakterististen virtauskenttien välille löydettiin yhteys. Analyysin tulokset korostivat Suomenlahden samankaltaisuutta estuaarien eli jokisuulahtien kanssa. Aineistossa kiertoliike Suomenlahdella vaihteli nopeasti normaalin estuaarikiertoliikkeen ja käänteisen estuaarikiertoliikkeen välillä. Suomenlahdella vallitsevat lounaistuulet tukivat käänteistä kiertoliikettä. Mallinnusaineiston perusteella näyttää siltä, että sykloninen pintavirtauskuvio tulee näkyviin vain, jos tutkimusjakson aikana normaali estuaarikiertoliike esiintyy riittävän usein. Pienetkin muutokset tuulten suuntajakaumassa voivat vaikuttaa virtauskentän pitkän aikavälin keskiarvoihin merkittävästi. Myös kumpuaminen, joka näkyy päivien ja viikkojen aikaskaalalla, vaikuttaa virtausdynamiikkaan. NEMO-malli soveltui hyvin virtausten tutkimiseen Itämeren pohjoisosissa. Sen tulosten laatu oli samankaltainen kuin aikaisemmin alueella käytettyjen numeeristen mallien. Tässä tutkimuksessa saavutetusta edistyksestä huolimatta Suomenlahti on edelleen haastava alue virtausmallinnukselle. Malleilla on yhä vaikeuksia tuottaa Suomenlahden voimakkaita vertikaali- ja horisontaaligradientteja sisältävä suolaisuuskenttä. Tutkimuksessa kävi ilmi, että mallien syötteiden – erityisesti tuulipakotteen – tarkkuudella on suuri merkitys mallien tuloksille. Myös havaintojen merkitys mallikehitykselle korostui. Jatkossa tarvitaan kattavampia havaintoaineistoja, jotta voidaan arvioida mallien kykyä tuottaa virtauskenttä ja esimerkiksi kumpuamistapausten taajuus ja voimakkuus. Varsinkin virtaushavaintojen parempi alueellinen kattavuus olisi tärkeää. Tutkimuksessa kävi myös ilmi, miten tärkeää on malleja ja havaintoja vertailtaessa huolehtia siitä, että ne ovat vertailukelpoisia.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Tämä väitöskirja tutkii kuinka erilaiset lajien ominaisuudet liittyvät maanisäkkäiden evolutiiviseen selviytymiseen ja kuinka lajien ominaisuuksiin perustuva nisäkäsyhteisöjen rakenne liittyy ilmastoon, elinympäristöihin ja eliömaantieteeseen. Tutkimuksessa käytettiin laajoja tietokantoja sekä fossiilisista että nykyisistä maanisäkkäistä eri mantereilla. Tulokset maanisäkkäiden evolutiivisesta selviytymisestä osoittavat säännöllisen ilmiön, jossa isommilla nisäkässuvuilla ja -lajeilla on suurempi lajiutumisen ja sukupuuttoon kuolemisen tahti ja siten lyhyempi ajallinen kesto. Tulosta voidaan selittää niiden lajien avulla, jotka viettävät talviunta, horrostavat tai kaivautuvat maahan, ‘‘sleep-or-hide’’ (SLOH) -lajeilla. Koska SLOH-käyttäytyminen on yleisempää pienillä nisäkkäillä, ovat ne siten keskimäärin enemmän suojattuja ympäristön ääriolosuhteilta kuin isommat nisäkkäät ja näin ollen kokonaisuudessaan vaikuttavat pienempien lajien korkeampaan keskimääräiseen selviytymiseen ja matalampaan lajiutumistodennököisyyteen. Tulokset lajien ominaisuuksien suhteesta ilmastoon tuottavat kohtuullisen tarkat arviot nykyajan sadannasta, suurimpien korrelaatioiden ollessa vuotuisen sadannan ja lajien absoluuttisen ja suhteellisen lukumäärän, ruokavalion, hampaan kruunun korkeuden sekä ruokavalion ja hampaan kruunun korkeuden yhdistelmän välillä. Trooppisten lajien yhteisörakenteet taasen olivat tilastollisesti merkitsevästi erilaisia tutkittujen kasvillisuusluokkien välillä, ollen suurin ekosysteemitasolla. Etenkin nisäkäsyhteisöt jotka on jaettu ruokavalio- tai liikkumismuotoryhmiin, erottelevat hyvin mantereiden trooppiset ekosysteemit sekä elinympäristöt, mutta ruumiinkokoon perustuvaa ryhmittelyä kannattaa tulkita varovaisemmin, mikäli useita eri mantereita käsitellään tutkimuksessa. Pohjois-Amerikassa lajistot ovat ilmastoltaan erilaisia mittakaavassa, jossa nisäkkäät on jaettu 11 erilliseen lajistoon kun taasen Euroopassa ne jakautuvat alueellisesti viiteen erilaiseen lajistoon. Ruumiinpainon erojen perusteella Pohjois-Amerikan lajisto jakautuu kahdeksaan kokonaisuuteen, kun taasen liikkumismuodon perusteella lajistot eroavat kaikissa jakoluokissa. Ruokavalion perusteella ei lajistojen välille muodostunut tilastollisia eroja. Euroopassa yksikään lajisto ei eronnut tilastollisesti toisistaan minkään lajiominaisuuden perusteella millään jaolla. Tutkimuksessa saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että niitä havaittavia lajiominaisuuksia, joita voidaan erottaa myös fossiiliaineistosta (ruumiinpaino, liikkumismuoto, ruokavalio) voidaan käyttää nisäkäsyhteisöjen analysointiin ja muinaisten ilmasto-olosuhteiden mallintamiseen.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Lignaanit ovat laajalti luonnossa esiintyviä molekyylejä ja niitä on löydetty lukuisista kasveista ja kaikista kasvien osista. Lignaanien rooli kasveissa ei ole täysin selvä, mutta todennäköisesti ne ovat osa kasvien puolustusmekanismia ja suojaavat kasveja taudeilta, sieniltä ja tuholaisilta. Monet syötävät kasvit sisältävät paljon kasvilignaaneja ja toistaiseksi paras ravinnosta löydetty lignaanilähde on pellavansiemenet. Muita lignaanirikkaita ravintokasveja ovat mm. viljatuotteet ja etenkin kokojyvätuotteet, siemenet, pähkinät, suomalaiset marjat, tietyt hedelmät ja vihannekset, kuten esimerkiksi parsa. Monet kasvilignaanit muuntuvat eli metaboloituvat ihmisen suoliston bakteerien vaikutuksesta molekyyleiksi, joita kutsutaan enterolignaaneiksi. Yleisimmin enterolignaaneja on määritetty ihmisen virtsasta tai verestä. Enterolignaanien määrä vaihtelee suuresti ihmisissä johtuen mm. henkilön sukupuolesta ja iästä, ravinnosta, elämäntavoista sekä suoliston bakteerikannasta. Enterolignaaneja ja kasvilgnaaneja tutkitaan maailmanlaajuisesti johtuen niiden mahdollisista terveysvaikutuksista. Tutkimuksissa on raportoitu mm. virtsan korkean enterolignaanipitoisuuden ja alhaisen diabetesriskin sekä painon ja enterolignaanipitoisuuden yhteydet. Monissa tutkimuslaitoksissa tutkitaan myös enterolaktonipitoisuuden yhteyttä sydän- ja verisuonitauteihin sekä eräiden syöpien yhteyttä. Lignaanitutkimuksia varten käytetään nopeita ja tarkkoja analyysimenetelmiä. Tunnettuja molekyylejä tarvitaan vertailuaineina analysoitaessa ja tunnistettaessa lignaaneja kasveista, virtsasta ja verinäytteistä, sekä monissa erilaisissa tutkimuksissa kuten esimerkiksi metaboliatutkimuksissa. Väitöstyössä on keskitytty lignaanimolekyylien valmistamiseen (eli syntetiikkaan). Työssä on valmistettu seitsemäntoista uutta mahdollista enterolignaani- ja kasvilignaanimolekyyliä käyttäen Michael-additio alkylaatioreaktiota sekä todennettu kaikkien valmistettujen molekyylien rakenne. Kahdeksasta lignaanimolekyylistä on valmistettu happamissa olosuhteissa pysyvät deuteroidut johdannaiset (85-99% isotooppipuhtaus) sekä deuteroitumisreaktioita on tutkittu vertaamalla teoreettisia laskelmia ja käytännön huomioita reaktiosta. Lisäksi neljän enterolignaanin happojohdannaista valmistettiin ja rakenteet varmennettiin uuden analyysimenetelmän kehittämiseksi.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Resurssiyhdyskuntien tutkimus käsittelee ainutlaatuisia teollisia, kulttuurillisia, geopoliittisia ja positionaalisia ulottuvuuksia, jotka jäävät vähemmälle huomiolle valtavirran maantieteessä. Kasvava uusliberalismi on vaikuttanut resurssiyhdyskuntiin kaikkialla maailmassa, mikä on vähentänyt valtion osallisuutta paikallisessa sosioekonomisessa kehityksessä. Tämä on edellyttänyt resurssiyhdyskuntia sopeutumaan ja joustamaan edistääkseen elinvoimaisuuttaan. Tämä tutkimus keskittyy resurssiyhdyskuntiin Venäjän pohjoisosissa, jossa resurssiyhdyskunnat ja niiden keskeiset teollisuusyritykset ovat Neuvostoliiton hajoamisen jälkeen kohdanneet merkittäviä sosioekonomisia ongelmia, kuten väestön vähenemisen ja kaivosteollisuuden tuottamien raaka-aineiden maailmanmarkkinahintojen heilahtelun. Tämä on vaikuttanut suoraan niiden taloudelliseen hyvinvointiin. Neuvostoliiton hajoamisen jälkeisenä aikana sosiaalipalveluiden heikkeneminen on myös aiheuttanut tyytymättömyyttä yhdyskuntien asukkaiden keskuudessa. Globalisaation tuoma maailmanlaajuinen luonnonvarojen hintojen heilahtelu on vaikuttanut suoraan paikallisen kaivostoiminnan kestävyyteen. Tämän vuoksi resurssiyhdyskunnissa on jouduttu arvioimaan uudelleen niiden taloudellista perustaa ja edistämään talouden monipuolistamista niiden pitkäaikaisen elinkelpoisuuden lisäämiseksi. Lisäksi Venäjän ja lännen välinen lisääntynyt poliittinen jännite vuodesta 2014 on korostanut ulkoisten voimien ja valtiotason politiikan seurannaisvaikutuksia paikalliseen kehitykseen. Sekä luonnonvaratalouden suhdanneherkkyys kuin myös korkeamman tason poliittisten suuntausten muutokset ovat vaikuttaneet resurssiyhdyskuntien kehitykseen Venäjällä. Tämä on osoitus resurssiyhdyskuntien suhteellisen voimakkaasta ajopuuroolista maailmantalouden ja -politiikan syövereissä. Tutkimus asemoituu paikkakuntatutkimuksen traditioon tapaustutkimuksella paikallisesta sosioekonomisesta rakennemuutoksesta. Tutkimus käsittelee syrjäisyyden ongelmia, mikä on yhdistävä tekijä sekä resurssiyhdyskuntille että yksittäisille teollisuuskaupungeille. Tutkimus analysoi sosioekonomisen rakennemuutoksen ongelmia syrjäisissä resurssiyhdyskunnissa rakennemuutoksen ja talousrakenteen monipuolistamisen näkökulmista. Tutkimuksessa on käytetty tapaustutkimusmenetelmää kolmessa kaivosteollisuusyhdyskunnassa Murmanskin alueella. Sen päätavoitteena on vastata siihen, kuinka Venäjän pohjoiset kaivosteollisuusyhdyskunnat ovat sopeutuneet sosioekonomisiin muutoksiin, erityisesti Neuvostoliiton romahduksen jälkeisiin talouden laskukausiin, sekä niiden kykyyn toimia nykyisten kehityshaasteiden parissa. Tutkimus vastaa seuraaviin tutkimuskysymyksiin: (1) Miten erilaiset yleiset, institutionaaliset, alakohtaiset, ihmislähtöiset ja paikalliset prosessit muokkaavat resurssiyhdyskuntien sosioekonomista kehitystä Venäjän pohjoisosissa? (2) Mikä on eri toimijoiden todellinen ja paikallisesti toivottu rooli Venäjän pohjoisten syrjäisten resurssiyhdyskuntien sosioekonomisessa rakennemuutoksessa? (3) Millaiset ovat mahdollisuudet Venäjän pohjoisosien syrjäisissä resurssiyhdyskunnissa talouden monipuolistamiseen? Tutkimuksessa käytetään runsasta empiiristä aineistoa, jota arvioidaan metodisella triangulaatiolla. Aineisto koostuu kyselytutkimuksesta, puolistrukturoiduista haastatteluista ja fokusryhmäkeskusteluista sekä näitä tukevasta aineistosta, joihin kuuluu muun muassa sanomalehtiartikkeleita ja tilastoja. Tutkimuksen tärkein empiirinen aineisto on Kovdorissa syyskuussa 2010 toteutettu kvantitatiivinen kyselytutkimus. Lisäksi yhdessä artikkelissa on käytetty Kirovskissa ja Revdassa vuonna 2012 tehtyjä puolistrukturoituja haastatteluita. Kvantitatiiviset menetelmät ovat keskeisessä roolissa tutkimusmateriaalin analysoinnissa, kun taas laadulliset menetelmät tukevat kvantitatiivisia menetelmiä. Tutkimus osoittaa globalisaation merkityksen Venäjän pohjoisten resurssiperiferioiden sosioekonomisessa rakennemuutoksessa. Vaihtelut resurssiyhdyskuntien positionaalisuudessa ovat myös tärkeitä niiden sosioekonomisen rakennemuutoksen näkökulmasta. Tutkimus osoittaa rakenteellisten ja institutionaalisten esteiden, kuten polkuriippuvuuden, paternalistisen perinteen ja resurssifatalismin, ylläpitävän resurssiyhdyskuntien paikallisidentiteettiä. Tutkimus osoittaa myös yhdyskuntien itsereflektion tärkeyden kestävän paikallisen sosioekonomisen kehityksen vaalimisessa ja rakenteellisten ja institutionaalisten esteiden voittamisessa. Tämä tutkimus tuo uusia näkökulmia maantieteellisen resurssiyhdyskuntia käsittelevään keskusteluun ja laajentaa ymmärrystä sosioekonomisesta rakennemuutosprosessista syrjäisissä teollisuuskaupungeissa. Täten tutkimus sijoittuu paikkakuntatutkimustraditioon ja nykyhetken talousmaantieteellisen muutoksen tutkimukseen kaupungistuneella ja teollistuneella Pohjois-Venäjällä. Avainsanat: resurssiyhdyskunta, kaivosyhdyskunta, yhden tehtaan kaupunki, sosioekonominen rakennemuutos, Pohjois-Venäjä, Murmanskin alue
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Neutriinot ovat äärimmäisen heikosti vuorovaikuttavia alkeishiukkasia, jotka ovat niin keveitä ettei niiden massaa ole onnistuttu vielä mittaamaan. Koska eri tyyppiä olevat neutriinot muuttuvat toisiksi nk. neutriino-oskillaatioksi kutsutussa ilmiössä, tiedämme että ne eivät voi olla massattomia. Vuoden 2015 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Arthur MacDonaldille ja Takaaki Kajitalle neutriino-oskillaatioiden kokeellisesta löytämisestä. Wolfgang Pauli ehdotti neutriinon olemassaoloa vuonna 1930 ratkaistaakseen fysiikkaa tuolloin piinanneen puuttuvan energian ongelman. Clyde Cowan ja Frederick Reines havaitsivat neutriinon ensimmäisen kerran vuonna 1956. Vuosituhannen alkuun mennessä oli löydetty kolme erityyppistä neutriinoa - elektronineutriino, myoninneutriino ja tauneutriino - sekä havaittu, että neutriinot voivat muuttua erityyppisiksi. Hiukkasfysiikan standardimalli sisältää neutriinot, mutta ne ovat siinä massattomia. Standardimalli on kykenemätön selittämään neutriinojen massan ja keveyden - miksi neutriinoilla on massa ja miksi ne ovat niin keveitä? 1970- ja 1980-lukujen taitteessa kehitettiin nk. keinulautamalli, joka selittää neutriinojen keveyden olettamalla uusien raskaiden standardimallin ulkopuolisten hiukkasten olemassaolo. Standardimallin sellaiset laajennukset, jotka generoivat massat neutriinoille, voivat myös vaikuttaa neutriino-oskillaatioihin huomattavasti. Mikäli uusien vuorovaikutusten energiaskaala on teraelektronivoltin luokkaa ja havaittavissa CERNin suurella hadronitörmäyttimellä (Large Hadron Collider, LHC), niistä aiheutuvat epästandardit vuorovaikutukset voivat aiheuttaa havaittavia muutoksia makua rikkoviin hiukkasreaktioihin, kuten neutriino-oskillaatioihin ja mahdollistaa uusia hajoamisreaktioita, kuten myonin hajoamisen elektroniksi ja fotoniksi. Väitöskirjassa tutkitaan mahdollisuuksia mitata standardimallin laajennuksista aiheutuvia pieniä merkkejä neutriino-oskillaatiokokeissa, varattujen leptonien makua rikkovissa hajoamisissa sekä kiihdytinkokeissa. Tarkastelun kohteena ovat tyypin II keinulautamalli, neutriinofiilinen malli sekä epästandardien vuorovaikutusten malli.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Positroniemissiotomografia (PET) on hyvän resoluution omaava molekyylikuvantamismenetelmä, jonka avulla voidaan seurata leimatun lääkeaineen jakautumista ja eliminaatiota noninvasiivisesti. Esikohdennetussa PET-kuvantamisessa tutkimuksen alla oleva kantaja, esimerkiksi vasta-aine tai nanopartikkeli, radioleimataan vasta kun se on saavuttanut kohteensa in vivo. Esikohdennetussa PET-kuvantamisessa on yleensä kaksi vaihetta. Ensin annostellaan kantaja, joka hakeutuu kohdekudokseen. Seuraavaksi injisoidaan radioaktiivinen merkkiaine, joka reagoi selektiivisesti kantajan kanssa. Kantajan sijainti voidaan havaita merkkiaineen lähettämän säteilyn avulla. Esikohdennettu kuvantaminen mahdollistaa lyhytikäisten radionuklidien käytön sovelluksissa, joissa perinteisesti niiden lyhyt puoliintumisaika on sen estänyt. Esikohdennetun PET-kuvantamisen ansiosta kohteen säteilyannos laskee ja PET-kuvan kontrasti paranee. Tässä työssä kehitettiin fluori-18 leimattu tetratsiini, jota käytettiin merkkiaineena nanopartikkelien ja vasta-aineiden esikohdennetussa PET-kuvantamisessa. Esikohdennus toteutettiin IEDDA-reaktion (inverse electron-demand Diels-Alder cycloaddition) avulla. Nanopartikkelien ja vasta-aineiden pinnalle kiinnitettiin trans-syklo-okteeneita (TCO), jotka reagoivat nopeasti ja selektiivisesti tetratsiinien kanssa. Tetratsiini muokattiin sisältämään amino-oksi-rakenne, jotta radioleimaus voitiin suorittaa miedoissa reaktio-olosuhteissa 18F-fluoroglykosyloimalla. Radiosynteesin nopeuttamiseksi ja yksinkertaistamiseksi tässä työssä kehitettiin puhdistusmenetelmät korvaamaan nestekromatografiset menetelmät, jotka yleensä ovat tarpeen 18F-fluoroglykosyloinneissa. Kehitetty 18F-leimattu tetratsiini osoitti omaavansa hyvän stabiilisuuden fysiologisissa olosuhteissa in vitro, ja reagoi nopeasti TCO:n kanssa reaktiokinetiikkaa mitattaessa. Merkkiaineen lipofiilisyys oli myös matala eikä merkkiaine kertynyt soluihin solukokeissa, minkä takia merkkiaineen toivottu nopea eliminoituminen virtsan kautta oli nähtävissä myös in vivo -kokeissa. In vivo -kokeissa kuitenkin havaittiin myös eliminaatiota hepatobiliaarista reittiä. Esikohdennetuissa kokeissa kehitetty merkkiaine onnistuneesti paikansi nanopartikkelit, ja selvä korrelaatio in vivo IEDDA-reaktion saannon ja injisoidun merkkiaineen määrän välillä havaittiin. Vasta-aineiden esikohdennetussa PET-kuvantamisessa kasvain pystyttiin selvästi paikantamaan, ja ex vivo biodiistribuutio vahvisti, että radioaktiivisuuskertymä kasvaimissa oli tilastollisesti merkittävästi suurempi kuin kontrollikokeissa.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Ioniset nesteet ovat sulia suoloja, joiden sulamispisteet ovat yleensä alle 100 °C. Koska ionisten nesteiden fyysiset ja kemialliset ominaisuudet ovat helposti muokattavissa, yhdistämällä erilaisia kationeja ja anioneja, on niiden käyttö yleistynyt monissa lääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa. Ionisten nesteiden myrkyllisyydestä, vaikutuksista ympäristöön ja pitkäaikaiskäytöstä on vain vähän tietoa huolimatta niiden alhaisten höyrynpaineiden aiheuttamasta ”vihreästä maineesta” ja niiden kasvavasta käytöstä. Monet ioniset nesteet ovat vesiliukoisia ja lipofiilisia ja voivat siten bioakkumuloitua vesistöjen organismeihin, ravintoketjun korkeammilla tasoilla oleviin eläimiin sekä lopulta jopa ihmisiin. Tämä väitöskirja kuvaa miten ryhmä fosfonium-, imidatsolium-, ja guanidiniumperäisiä ionisia nesteitä vuorovaikuttaa seeprakalojen, erilaisten solujen ja biomallintavien fosfolipidivesikkelien (liposomi) kanssa. Tässä työssä käytetyt ioniset nesteet ovat potentiaalisia biomassan liuottajia, joiden atomien ytimet sekä ketjujen pituudet vaihtelevat. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää miten kohdeorganismin valinta, fosfoniumperäisten ionisten nesteiden kationin ketjun pituus, sekä varsinkin anionin ketjun pituus vaikuttaa ionisten nesteiden myrkyllisyyteen. Lisäksi, ionisten nesteiden pitkäaikaisvaikutuksia arvioitiin käyttämällä aikuisia seeprakaloja. Näitä tuloksia hyödynnettiin, jotta löydettäisiin uusia menetelmiä, joissa elävien organismien sijaan voitiin käyttää yksinomaan solukalvoja mallintavia liposomeja. Ionisten nesteiden vaikutusta solujen hajoamiseen tutkittiin hemolyysin ja reaaliaikaisen sytotoksisuusanalyysin avulla ja näitä tuloksia verrattiin liposomien eheystuloksiin. Differentiaalista pyyhkäisykalorimetria käytettiin selvittämään miten ioniset nesteet tunkeutuvat lipidikaksoiskerrokseen. Ionisten nesteiden vaikutusta negatiivisesti kokonaisvarautuneiden liposomien kokoon ja zetapotentiaaliin tutkittiin kuvaamaan miten ioniset nesteet vaikuttavat liposomien halkaisijaan sekä pintavaraukseen. Lisäksi, ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa, tarkemmin diffuusio-erotteista spektroskopiaa, hyödynnettiin selvittämään ilmenevätkö ioniset nesteet unimeereina vai aggregaatteina ja ovatko ne kiinnittyneet lipidikaksoiskerroksen pintaan. Yhdistämällä seeprakaloista ja sytotoksisuusanalyyseista saadut tulokset lipidikaksoiskerroksen hajoamistuloksiin, oli mahdollista ennustaa ionisten nesteiden toksisuusmekanismi. Näin ollen ioniset nesteet voitiin jakaa kolmeen ryhmään: 1) plasmamembraanin hajottavat ioniset nesteet, 2) ioniset nesteet, jotka vaikuttavat sekä solun eheyteen että solun aineenvaihduntaan ja 3) ioniset nesteet, jotka vaikuttavat vain solun aineenvaihduntaan.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Hiilidioksidia pidetään verrattaen epäreaktiivisena molekyylinä, mutta sen hiiliatomi on altis nukleofiiliselle hyökkäykselle. Tämän ominaisuuden johdosta hiilidioksidia voidaan hyödyntää orgaanisessa syntetiikassa. Jos hiilidioksidiin hyökkäävä nukleofiili on amiini, muodostuu karbamaatti. Karbamaatit, ja erityisesti sykliset karbamaatit, ovat yleisiä rakenteita kiraalisissa apuaineissa ja monissa lääkeaineissa. Sykliset karbamaatit yleensä valmistetaan myrkyllisiä ja kalliita lähtöaineita kuten fosgeenia tai isosyanideja käyttäen; niinpä näiden reagenssien korvaamista edullisemmalla ja turvallisemmalla hiilidioksidilla on tutkittu paljon. Hiilidioksidipohjaiset syklisten karbamaattien valmistusmenetelmät voidaan jaotella neljään kategoriaan: hiilidioksidin sykloadditio atsiridiineihin, epoksidipohjaiset menetelmät, tyydyttymättömien yhdisteiden syklisointi, sekä aminoalkoholien syklisointi. Yhdessä nämä synteesimenetelmät mahdollistavat eri tavoin substituoitujen ja erikokoisten syklisten karbamaattien valmistamisen. Myös stereoselektiivisiä synteesejä on raportoitu. Tämän väitöskirjan pohjana toimivissa julkaisuissa on esitelty viides tapa valmistaa syklisiä karbamaatteja hiilidioksidista. Yhdistävänä tekijänä kaikissa julkaisuissa on amiinin ja hiilidioksidin välinen karbamaatinmuodostusreaktio, jota seuraa nukleofiilinen hyökkäys (pseudo)halidiin rengasrakenteen muodostamiseksi. Ensimmäisessä julkaisussa käytettiin halogenoituja amiineja, toisessa aniliinia sekä dihaloalkaaneja, ja kolmannessa aminoalkoholin hydroksyyliryhmä muutettiin pseudohalidiksi aktivointireagenssin avulla. Kokonaisuutena nämä menetelmät mahdollistavat 5-,6- ja 7-renkaiden sekä bisyklisten syklisten karbamaattien korkeasaantoisen sekä kemo-, regio- ja stereoselektiivisen synteesin.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Väitöskirja käsittelee multiplikatiivisen kaaoksen teoriaa useamman eri ongelman kautta ja se koostuu johdannosta ja kolmesta artikkelista. Johdannossa esitellään multiplikatiivisen kaaoksen yleisteoriaa ja artikkeleiden esitietoja, sekä joitain artikkeleissa todistettuja tuloksia. Sana multiplikatiivinen kaaos viittaa siihen, että multiplikatiivista kaaosmittaa voi ajatella äärettömänä tulona riippumattomista satunnaisista funktioista. Näillä kaaosmitoilla on yhteyksiä mm. tilastollisen fysiikan malleihin, satunnaismatriiseihin ja lukuteoriaan. Yleisimmin tutkitussa tapauksessa kerrottavat funktiot ovat eksponentiaaleja riippumattomista Gaussisista kentistä, normalisoituna siten, että kunkin tulontekijän odotusarvo on 1. Tällöin kaaosmittaa voi myös ajatella normalisoituna eksponentiaalina kyseisten kenttien summasta. Se, suppeneeko tällainen tulo johonkin nollasta eroavaan mittaan, riippuu vahvasti siitä, millainen ym. summakenttä on. Mielenkiintoisimmassa tapauksessa summakenttä on logaritmisesti korreloitunut, mikä tarkoittaa karkeasti ottaen sitä, että kentän arvojen korrelaatio kahdessa pisteessä riippuu logaritmisesti pisteiden välisestä etäisyydestä. Tällöin tulo suppenee nollaan, mikäli kerromme summakenttää tarpeeksi suurella vakiolla, mutta tarpeeksi pienillä positiivisilla vakioilla saadaan aikaiseksi epätriviaali kaaosmitta. Yllä kuvailtu tulokonstruktio perustuu kaaosmitan approksimointiin käyttämällä eksponentiaaleja summakentän äärellisistä osasummista. Osasummien sijasta voidaan myös käyttää muunlaisia tapoja approksimoida summakenttää, ja luonnollinen kysymys on, voidaanko kaaosmitta rakentaa ottamalla raja-arvo näiden approksimaatioiden eksponentiaaleista, ja että riippuuko saatu kaaosmitta käytetystä approksimaatiosta. Tätä kysymystä käsitellään väitöskirjan ensimmäisessä artikkelissa "Uniqueness of critical Gaussian chaos". Väitöskirjan toisessa artikkelissa "On the Multiplicative Chaos of Non-Gaussian Log-Correlated Fields" luovutaan oletuksesta, että eksponentioitava kenttä olisi Gaussinen, ja tutkitaan epätriviaalin kaaosmitan olemassa oloa tässä tilanteessa. Kolmannessa artikkelissa "Imaginary multiplicative chaos: Moments, regularity and connections to the Ising model" tutkitaan tilannetta, jossa summakenttää kerrotaan puhtaasti imaginäärisellä tekijällä. Tällöin rajaobjektina ei enää ole mitta, vaan satunnainen distribuutio eli yleistetty funktio. Artikkelissa tutkitaan kaaosdistribuution säännöllisyyttä, sekä näytetään, että kahden riippumattoman Ising-mallin tulon skaalausrajana saadaan puhtaasti imaginäärinen kaaosdistribuutio.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)This thesis consists of two parts where Indoor Environmental Quality is studied in the first part by analyzing polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and biological contamination levels in floor dust inside an educational building and dwellings within the capital city of Jordan (Amman). Exposure, dose and health risk assessments of PAHs were also performed. The second part investigates particle distribution of accumulation and coarse particles as well as workers’/students’ exposure to coarse particles inside an educational workshop. For the first part of the thesis, floor dust samples were taken from the living room and the entrance area inside eight houses as well as from four offices, two lecture rooms, two corridors and two areas of a workshop inside a university building. For the second part, the inhaled deposited dose of coarse particles inside an educational workshop was estimated. The total PAHs concentrations at the living rooms ranged from around 64165422 ng/g and at the entrance area from 2419266 ng/g. Half of the dwellings had higher total PAHs concentrations at the living rooms than at the entrance area. Our findings indicated that both outdoor and indoor sources contributed to high PAHs concentrations. Based on the answers of the occupants of the dwellings, the main sources of indoor PAHs included indoor smoking, cooking activities, heating system and traffic, correlating with the results from other studies. However, more studies are needed to make a confirm conclusion regarding the specific source(s) of PAHs in household floor dust. The total PAHs concentrations inside the educational building varied from around 7145246 ng/g. The PAHs concentrations inside offices, where tobacco smoking took place, were higher than those observed inside lecture rooms and the workshop area. This finding indicated that exposure to tobacco smoking inside poorly ventilated and small indoor environments can be seriously harmful. Especially important was the fact that our results revealed that Jordanian occupants inside residential and occupational environments were less exposed to toxic PAHs via dust ingestion than occupants in similar indoor environments in Europe and Asia. The bacterial and fungal concentrations varied significantly among and within the studied environments indoors, indicating that that the origin of bio-contaminants differs depending on the locations within the city. In addition to occupancy, human’s activities and outdoor sources, environmental conditions, are also responsible for the increase of bacterial and fungal concentrations indoors. Inside the workshop area, the highest mean and maxima PN0.3-1 (PM0.3-1) and PN1-10 (PM1-10) concentrations were detected during welding activities. The variation in the accumulation mode and coarse mode aerosol concentrations could be attributed to the type of activity (i.e. specific source) and the particle loss rate (i.e. dry deposition and removal via ventilation). During an 8-hour exposure to particles produced during welding and other activities, the total estimated inhaled deposited dose would be less than 750 μg. The mass regional deposition was ~ 53% in the alveolar region, ~ 29% in the tracheobronchial and ~ 18% in the head/throat region. The results obtained for the inhaled deposited dose could be used in epidemiological studies and in the creation of risk assessment models during welding or related processes.
-
(Helsingin yliopisto, 2018)Many mathematical models of population dynamics are formulated as Volterra integral equations coupled with integro-differential equations. They can be interpreted as delay equations, where the value of a function, or its derivative, is prescribed in terms of the past values. Because delay equations generate infinite-dimensional dynamical systems, it often proves impossible to get analytical results about their dynamical behavior, including equilibria and periodic solutions, their stability properties, and their bifurcations with respect to parameters. This thesis proposes and investigates a new method for numerical bifurcation analysis: first, the nonlinear delay equation is formulated equivalently as an abstract differential equation in a space of infinite dimension; then, the pseudospectral discretization technique returns an approximating system of ordinary differential equations. The latter system can be conveniently written from the original delay equation, and can be efficiently studied with established software packages for ordinary differential equations. The proposed numerical method allows to investigate important dynamical properties that are currently out of reach of the established software for delay equations: the thesis explores the applicability of the technique to several different cases of differential and integral equations including distributed, infinite or state-dependent delays. A broad numerical investigation provides evidence of the spectral accuracy in the approximation of the bifurcation properties of both equilibria and periodic solutions.
-
Highly oxygenated organic molecules in the atmosphere: sources and roles in new-particle formation (Helsingin yliopisto, 2018)Suuri osa ilmakehän pienhiukkasista syntyy suoraan ilmakehässä niin kutsutussa hiukkasmuodostuksessa (new particle formation, NPF). Ilmiö on maailmanlaajuinen, ja siihen ottavat osaa erilaiset lähtöaineet monissa erilaisissa ilmakehän olosuhteissa. Molekyylitasolla ilmiön tuntemus on kuitenkin ollut tähän asti heikkoa. Tästä syystä pienhiukkasbudjetin, ja sitä kautta tulevaisuuden ilmaston, simulointi on ollut haastavaa. Viime aikoina ilmakehässä on havaittu erittäin happipitoisia orgaanisia molekyylejä (highly oxygenated organic molecules, HOM). Alhaisen haihtuvuutensa johdosta ne voivat mahdollisesti ottaa osaa hiukkasmuodostukseen sen ensi vaiheista lähtien. Tämä väitöskirja keskittyy tutkimaan, miten HOM-yhdisteet voivat osallistua hiukkasmuodostukseen, ja miten ne muodostuvat ilmakehässä. Tähän käytetään dataa sekä ilmakehämittauksista havumetsässä, että CERN:issä sijaitsevasta CLOUD-kammiokokeesta: näitä myös verrataan keskenään. Tuottamalla CLOUD-kammiossa HOM-yhdisteitä monoterpeenien hapetuksesta, havaittiin niiden voivan muodostaa uusia hiukkasia ilman rikkihapon myötävaikutusta. Tässä hiukkasmuodostuksessa ioni-indusoidulla nukleaatiolla (IIN) havaittiin olevan määräävä rooli. Kelvin-efektin takia eri HOM-yhdisteet alkavat vaikuttavat muodostuneiden hiukkasten kasvuun hiukkasten koosta riippuen, johtuen yhdisteiden erilaisista haihtuvuuksista. Koska HOM-yhdisteet dominoivat hiukkasten kasvua, ja sitä kautta hiukkasten selviämistodennäköisyyttä, pilvitiivistymisytimien (cloud condensation nuclei, CCN) määrä, ja sen ennustaminen, ovat hyvin herkkiä HOM-yhdisteiden haihtuvuuksille. HOM-yhdisteet ovat avainroolissa myös ilmakehässä havaitussa hiukkasmuodostuksessa. HOM-yhdisteet ovat tärkeässä osassa yli puolissa päiväsaikaisista, ioni-indusoiduista (IIN) hiukkasmuodostustapahtumista, jolloin niiden kokonaispitoisuus ylittää rikkihappopitoisuuden 30-kertaisesti. Yöaikaiset IIN-tapahtumat taas ovat täysin HOM-yhdisteiden, tarkemmin ottaen HOM-dimeerien, aiheuttamia. Tämä on ensimmäinen suora ilmakehähavainto, joka osoittaa HOM-yhdisteiden tärkeyden hiukkasmuodostukselle. Se osoittaa myös, että HOM-yhdisteiden kemialliset ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä niiden hiukkasmuodostuskyvyn kannalta. Koska HOM-yhdisteiden vaikutus hiukkasmuodostukseen riippuu vahvasti niiden koostumuksesta ja haihtuvuudesta, jotka taas määräytyvät yhdisteiden läheistä, tutkimme HOM-yhdisteiden lähteitä havumetsässä käyttäen positiivista matriisifaktorisaatiota (positive matrix factorization, PMF). Löysimme viisi monoterpeeni-hapetukseen liittyvää HOM-faktoria. Nämä edustivat monoterpeenien otsonihapetusta, niiden NO3-hapetusta, hapetuksessa muodostuneiden RO2-radikaalien NO-terminaatiota, OH-riippuvaisia prosesseja, sekä lämpötilariippuvaisia prosesseja. Aiemmat laboratoriotutkimukset ovat pääosin rajoittuneet otsonihapetuksessa muodostuneihin HOM-yhdisteisiin: nämä eivät kuitenkaan täysin edusta ilmakehän HOM-yhdisteitä. Tästä syystä olisikin syytä tutkia enemmän muista, erityisesti päiväsaikaisista, prosesseista muodostuneita HOM-yhdisteitä, mukaan lukien NOx:in vaikutus näihin prosesseihin, prosessejen HOM-tuottopotentiaali, sekä muodostuneiden yhdisteiden haihtuvuusjakauma. Kaiken kaikkiaan tämä väitöskirja osoittaa, että HOM-yhdisteillä on ratkaiseva rooli hiukkasmuodostuksessa, sekä laboratoriokokeissa että ympäröivässä ilmakehässä. Työ kuitenkin osoittaa myös, että kammiokokeissa on vasta osittain onnistuttu toisintamaan ilmakehässä tapahtuvat HOM-prosessit: näiden osalta tarvitaan lisätutkimusta.
-
(2018)Pitkittynyt hereilläoloaika lisää unipainetta ja siten väsymystä. Kasvava unen tarve aiheuttaa kontrolloimattomia torkahduksia, jotka heikentävät merkittävästi ihmisen tarkkaavuutta ja siten kognitiivisia toimintoja. Univajeen aiheuttama epävakaa tila on verrattavissa humalatilaan. Liikenneonnettomuuksista 10 – 20 % on väsymyksen aiheuttamia. Väsymys on näin ollen yksi suurimmista tunnetuista, estettävissä olevista onnettomuuksien syistä. Väsymyksestä johtuvien onnettomuuksien ja katastrofien vakavuus on tunnistettu; mm. New Jerseyssä (Yhdysvallat) on säädetty laki, joka kieltää ajamisen yli 24 tunnin hereilläoloajan jälkeen. Mittalaitetta, jolla kenttäolosuhteissa pystytään mittaamaan luotettavasti, objektiivisesti ja käytännöllisesti kuljettajan hereilläolon kokonaisaikaa ei kuitenkaan ole tällä hetkellä saatavilla. Tässä väitöskirjassa on kehitetty silmänliikkeisiin perustuva mittausmenetelmä, jonka avulla voidaan mitata hereilläoloaikaa laboratorion kenttäolosuhteissa, laboratorion ulkopuolella. Univajeessa kognitiiviset toiminnot heikkenevät, erityisesti tarkkaavuus sekä visuaalinen, silmänliikkeiden avulla tapahtuva ympäristön havainnointi. Tarkkaavuutta ja okulomotorisia toimintoja säätelevät osittain samat aivojen otsalohkoalueiden hermoverkot. Tästä syystä sakkadisia silmänliikkeitä voidaan käyttää sekä tarkkaavuuden että univajeen ja väsymyksen tutkimiseen. Väitöskirja koostuu kahdesta osiosta: 1) Algoritmikehitystyöstä silmänliikkeiden tunnistamiseksi luotettavasti kenttäolosuhteissa silmänliikesignaalista, 2) Silmänliikepohjaisen menetelmän kehittäminen hereilläoloajan estimointiin. Sakkadisia silmänliikkeitä mitattiin yhdeltätoista terveeltä aikuiselta kuuden tunnin välein 60 tunnin yhtäjaksoisen univajeen aikana. Silmänliikkeet rekisteröitiin elektro-okulografia (EOG) -menetelmällä 8 minuuttia kestävän sakkaditestin aikana. Tehtävässä suoriutumista arvioitiin sen aikana suoritettujen sakkadien lukumäärällä. Sakkadien lukumäärä laski hereilläoloajan funktiona kaikilla tutkittavilla. Sakkaditehtävässä suoriutuminen vaihteli henkilöiden välillä. Testin toistettavuutta tutkittiin viidellä henkilöllä ja se todettiin toistettavaksi. Vuorokaudenaika vaikutti tehtävässä suoriutumiseen ja tästä syystä vuorokausivaihteluun liittyvä sirkadiaaninen rytmi poistettiin vireystilaa mallintavan mallin avulla (three-process model of alertness, TPMA). Sirkadiaanisen rytmin poistamisen jälkeen sakkadien lukumäärän lasku hereilläoloajan funktiona oli lineaarinen kuudella tutkimushenkilöllä yhdestätoista. Väitöskirjassa esitettyjen tulosten perusteella EOG-menetelmällä mitattujen silmänliikeiden avulla voidaan estimoida hereilläoloaikaa kenttäolosuhteissa. Tällä hetkellä mittaus vaatii henkilökohtaisen kalibrointimittauksen ennen varsinaista testimittausta. Lisää tutkimustyötä tarvitaan henkilöiden yksilöllisten erojen tutkimiseen, sekä mittausasetelman optimointiin kenttäolosuhteisiin laajemmin sopivaksi.
-
(2018)For nanofabrication of silicon based structures, focused ion beam (FIB) milling is a top-down approach mainly used for prototyping sub-micron devices, while atomic layer deposition (ALD) is a bottom-up approach for depositing functional thin films with excellent conformality and a nanometer level accuracy in controlling film thicknesses. Combining the strengths of FIB milling with ALD provides new opportunities for making 3D nanostructures. In FIB milled silicon, the gallium implanted surface suffers from segregation and roughening upon heating, which makes the thermal stability of the as-milled substrate a concern for the following ALD processes which are typically performed at temperatures of 150 ℃ and higher. This study aimed to explore methods for improving the thermal stability of FIB milled silicon structures for the following ALD processes. The other aim was to fabricate nanostructures by alternately using FIB milling and ALD approaches on silicon and oxide thin film materials. The experiments were started on the reduction of gallium implantation during FIB milling of silicon substrates using different incident angles. Oblique incidence of the ion beam was found an effective method for improving the thermal stability of the FIB milled silicon surfaces by decreasing their gallium content. The improved thermal stability allowed to apply ALD Al2O3 on the FIB milled surfaces to make nanotrenches. Wet etching in KOH/H2O2 was found as a second method for improving the thermal stability by removing the gallium implanted silicon layer. ALD Al2O3 thin films can be applied as milling masks to limit amorphization of silicon upon FIB milling. With the aid of KOH/H2O2 etching, nanopore arrays, nanotrenches and nanochannels were fabricated. ALD grown Al2O3/Ta2O5/Al2O3 multilayers were FIB milled and wet etched to form both 2D and 3D hard masks. The fabricated 2D masks were used for making metal structures which are applicable for electrical connections. Thin film resistors were also fabricated using this 2D mask system. In conclusion, this study illustrates that combining FIB patterning and ALD is feasible for 3D nanofabrication when the stability of FIB milled surfaces is considered and improved.
-
(2018)The societal transformation from fossil fuel-based energy sources to ecologically friendly energy sources has sparked the development and utilization of electric (and hybrid) vehicles and electric generators for wind turbines, among others. Permanent magnets are essential components of these technologies. Over the years, the production of NdFeB permanent magnets has surpassed all other kinds because of their low cost and improved magnetic properties. The rare-earth elements (REEs) Nd and Dy are critical for the production of these magnets, and they come with a significant supply risk. Also since REEs exist simultaneously in minerals, the balance problem has become increasingly evident; Nd and Dy are produced at the cost of overproduction and stockpiling of other REEs. Due to their limited life span, more and more end-of-life (EOL) NdFeB magnets have accumulated as scrap. Recycling Nd and Dy from EOL NdFeB magnets could be a more ecological means to reduce supply chain pressure and to partially solve the balance problem. The purpose of this thesis is to develop new ion exchangers based on zirconium phosphate (ZrP) for selective recovery of Co, Nd, and Dy from EOL magnets. In general, inorganic ion exchangers, such as ZrPs, are more selective than organic resins because of the ion-sieve functionality originated from rigid structures. Two inorganic ion exchangers, crystalline alpha zirconium phosphate (α-ZrP) and amorphous ZrP (am-ZrP) and one inorganic (am-ZrP)-organic (PAN) ion exchange composite material were synthesized and characterized for their ion exchange properties in this study. The α-ZrP was synthesized with a lower energy and acid consumption. The ion-exchange capacity from the titration result was 6.65 meq/g. Co was taken up minimally from the Co-Nd-Dy ternary solution in acidic solution (pH 1-3) when compared with the total uptake amount. The am-ZrP was synthesized by using an easy scalability synthesis method at the room temperature. The molecular formula Zr(H2PO4)0.17 (HPO4)1.78 (PO4)0.09 • 0.96H2O was calculated from the results of digestion experiment, 31P NMR, and TG analysis. The molecular formula suggested that the theoretical ion-exchange capacity of am-ZrP was 6.97 meq/g. The column elution study of am-ZrP utilized a stepwise gradient elution; Almost complete metal separation was achieved from a mixed 1.0 mM equimolar solution. These promising results encouraged us to apply am-ZrP to a larger lab-scale study. To solve the possible operation problems in scale-up column separation, an am-ZrP/polyacrylonitrile composite was synthesized as bead form. X-ray tomography demonstrated a good spatial distribution of ion-exchange active component am-ZrP in the polymer matrix. Column-optimized experiments for the synthesized composite were performed by altering running temperature, speed, and concentration of the elution agent (HNO3) as well as feed concentration and loading degree. When the column was run at lower speed and at higher temperature, the purity of metal fractions in the effluent was highly enhanced relative to the feed. Gradient elution at 50°C was adopted for metals recovery from the simulated leachate with the concentration 7.6 g/L which in total consisted of 1.4% Co, 9.3% Dy, and 89.3% Nd. Obtaining complete separation was not possible by a single column due to the high Nd concentration in the feed. It is possible to obtain pure Co at the beginning of elution but the separation of Nd and Dy was not possible due to the materials uptake preference for Dy/Nd and their concentration in the feed.
-
(2018)High pressure chemical ionization has recently been used with mass spectrometers to measure atmospheric molecules and molecule clusters. In anion chemical ionization, negatively charged reagent ions ionize the neutral sample molecules (or clusters) mainly by forming ion-molecule clusters. The detection of neutral molecules is highly dependent on how effective the chemical ionization process-es are, since the mass spectrometers can only detect charged molecules or clusters. This causes uncertainties in the measurements of most atmospheric trace gas molecules. In addition, mass spectrometers are able to detect only the molecular mass of the sample molecules, which means that other methods are needed to find the molecular structures of the detected compounds. In this work, we take a look at how quantum chemistry can be used to model different chemical ionization processes in a typical chemical ionization instrument, and to calculate reaction rates for unimolecular gas-phase reactions. With our computations, we were able to explain some of the experimental observations regarding the differences in the detection efficiencies of some reagent ions. The cause for the low detection efficiency of some sample molecules was found to be less stable ion-molecule clusters. Our calculations showed an increasing cluster stability for each of the studied reagent anions with the increase of the number of oxygen atoms in the sample molecule. This means that less oxygenated molecules generally have lower detection efficiencies than the more oxygenated ones. In addition, the computed reaction rate coefficients of two different unimolecular HO2 loss reaction mechanisms showed that, due to collisional stabilization, this reaction is too slow to compete with bimolecular reactions under atmospheric conditions, especially if the reactant is an oxygenated organic molecule.
