Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta

 

Uusimmat julkaisut

  • Gregow, Erik (Erweko, 2018)
    Observations have been and are an important part of today's meteorological developments. Surface observations are very useful as they are, providing weather information for a point location. Though they do not give much information, if any, on what happens between the stations across a larger area. With models one can create an analysis of the meteorological situation, i.e. calculate and estimate what happens between these fixed observation points. Remote-sensing data, such as radar and satellite, are being processed and the output is given over a domain as an analysed product of their measurements. For example, radar gives a plot of where the rain is located, i.e. an analysis of the current precipitation. With a series of radar images, a human (subjectively) or a computer (objectively) can process this information to estimate where the rain will move and be located within the next few minutes (even hours), i.e. a short forecast also called "nowcast". This applies to some extent also for other observations, such as satellite data (cloud propagation). But for most quantities (such as temperature, wind, etc) it is significantly harder to make such a nowcast, since these are influenced by many other factors and there is no linear development of them. Therefore, there are forecast models that solve physical and dynamic equations, so that one can estimate the future weather for the coming hours and days. A prerequisite for generating a forecast of high quality is to capture the initial weather conditions as best as possible. This is done using observations and they are introduced into the forecast model through different techniques, where the model creates its own analysis as the initial step. There remain problems since forecast models often are affected by physical disagreements, as the dynamic conditions are not in balance. This results in the model having a spin-up effect, where the meteorological quantities are not yet in balance with each other and the resulting weather conditions are not always reliable during the first hours. Hence, a lot of research is spent on how to reduce this spin-up effect and on the use of nowcast models, in order to deliver the best model results for the first few hours of the forecast period. In this dissertation, the research work has been to improve the meteorological analysis, algorithms and functionality, using the Local Analysis and Prediction System (LAPS) model. Different kinds of observations were used and their interdependencies have been studied, in order to combine and merge information from various instruments. Primarily focus has been to improve the estimation of precipitation accumulation and meteorological quantities that affect wind energy. The LAPS developments have been used for several end-users and nowcasting applications, and experimentally as initial conditions for forecast modelling. The studies have been concentrated on Finland and nearby sea areas, with the available datasets for this domain. By combining surface-station measurements, radar and lightning information, one can improve the precipitation-amount estimations. The use of lightning data further improves the estimates and gives the advantage of having additional data outside radar coverage, which can potentially be very useful for example over sea areas. In addition, the improved LAPS analyses (cloud-related quantities) and a newly developed model (LOWICE), calculating the electricity production during wintertime (e.g. icing which reduces efficiency), have shown good results.
  • Wirtanen, Tom (Helsingin yliopisto, 2017)
    Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin niin kutsuttujen kinonien käyttöä hapetus-pelkistysreaktioiden välittäjinä. Tutkimus alkoi, kun havaitsimme yllättäen erään heterogeenisen kultakatalyytin hapettavan indoleita dimeereiksi. Kultakatalyytti valmistettiin hapettavissa olosuhteissa, jolloin katalyytin kantajana käytettyyn hiileen syntyi karbonyyli / kinoni -ryhmiä, jotka katalysoivat indolien välisen reaktion. Artikkeliväitöskirjan ensimmäisessä osajulkaisussa löysimme uuden reaktiivisuuden. Toisessa osajulkaisussa sekä karakterisoimme toiminallisen ryhmän karbonyyleiksi / kinoneiksi että laajensimme reaktion laajuutta. Osajulkaisussa kolme siirsimme reaktiivisuuden homogeenisiin olosuhteisiin vaihtamalla kinonivälittäjän heterogeenisestä hiilipohjaisesta kinonista 2,3-dikloro-5,6-disyano-1,4-bentsokinoniin. Lisäksi sovelsimme synteesimenetelmäämme luonnonaine shandougenine B:n synteesiin. Väitöskirjan yhteenveto-osan kirjallisuustarkastelun tarkoituksena on välittää lukijalle kuva sekä homogeenisten kinonien hapetus-pelkistyskemiasta että heterogeenisten kinonien valmistuksesta ja karakterisoinnista. Tämän lisäksi väitöskirjassa esitellään homogeenisten ja heterogeenisten kinonien välittämiä orgaanisia reaktioita.
  • Järvinen, Terhi (Helsingin yliopisto, 2017)
    Large Hadron Collider (LHC) -kiihdytin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERN:ssä auttaa ymmärtämään aineen pienimpien osasten, kvarkkien ja leptonien, sekä niistä koostuvien lyhytikäisten hiukkasten fysiikkaa. LHC-kiihdyttimellä voidaan tuottaa suuria määriä B-hadroneiksi kutsuttuja hiukkasia. Ne voivat hajota sellaisiin lopputiloihin, joista saatavat signaalit pystytään havaitsemaan Compact Muon Solenoid (CMS) -ilmaisimella. B-hadronien hajoamista ja ominaisuuksia voidaan tutkia monenlaisilla mittauksilla, joista elinaikamittaukset muodostavat yhden suuren osa-alueen. B-hadronien elinajan mittaus on tärkeää, sillä niiden avulla saadaan tietoa hadronien sisäisestä dynamiikasta. Joidenkin B-hadronien elinaikamittauksien tulokset ovat oleellisia myös hiukkasfysiikan standardimallin ennusteiden testauksessa. Standardimalli on hiukkasfysiikan teoria, joka sisältää havaitut alkeishiukkaset ja niiden väliset vuorovaikutukset. Huolimatta standardimallin menestyksestä teoriana, se ei pysty selittämään aineen ja antiaineen epäsuhtaa maailmankaikkeudessa. Kysymys liittyy läheisesti varauskonjugaatti-pariteettisymmetrian (CP) rikkoutumiseen, joka määrittää epäsuhtaa aineen ja antiaineen välillä. CP-symmetrian rikko on kuvattu standardimallissa, mutta teoriasta saatu ennuste ei riitä selittämään aineen määrää maailmankaikkeudessa. Erityisen mielenkiintoisia B-hadroneita ovat varaukseltaan neutraalit Bs-mesonit, jotka koostuvat b-kvarkin antihiukkasen ja s-kvarkin yhdistelmästä. Bs-mesoneilla on kaksi kvanttimekaanista ominaistilaa, joilla on kummallakin eri massa ja elinaika. Lisäksi Bs-mesonit voivat lyhyen elinaikansa kuluessa muuttua antihiukkasikseen ja siitä takaisin hiukkasiksi. Siksi Bs-mesonin systeemi onkin mielenkiintoinen sekä elinaikamittausten että CP-rikkoa koskevien tutkimuksien näkökulmasta. Väitöstutkimus koostuu kahdesta analyysistä, Bs-mesonin efektiivisen elinajan (ctau_eff) sekä Bs-mesonin systeemille ominaisen heikon vaihekulman (phi_s) mittauksesta. Efektiivisen elinajan mittaus on väitöskirjan pääanalyysi. Kummassakin analyysissä on hyödynnetty hajoamiskanavaa Bs -> J/psi phi(1020). Efektiivinen elinaika on verrannollinen kahden Bs-mesonin ominaistilan elinaikojen painotettuun keskiarvoon ja sen avulla saadaan epäsuorasti tietoa mesonin ominaistilojen elinaikojen erotuksesta. Täten efektiivisen elinajan mittaus täydentää kuvaa Bs-mesonin systeemistä. Heikko vaihe kuvaa CP-symmetriarikkoa Bs-mesonin systeemissä. Koska standardimalli ennustaa heikolle vaihekulmalle hyvin tarkan ja pienen arvon, voisi ennusteesta eroava mittaustulos antaa vihjeen standardimallin ulkopuolisesta fysiikasta. Bs-mesonin efektiiviseksi elinajaksi saatiin ctau_eff = 443.9 +/- 2.0 +/- 1.2 um ja heikoksi vaiheeksi phi_s = -0.075+/- 0.097 +/- 0.031 rad, joista ensimmäinen epätarkkuus on luonteeltaan tilastollinen ja toinen systemaattinen. Mittaukset ovat sopusoinnussa muiden mittausten kanssa. Lisäksi mitattu heikko vaihe on yhteensopiva standardimallin ennusteen kanssa. Työssä käytettiin CMS-kokeessa 8 TeV:n massakeskipiste-energian protoni-protonitörmäyksistä kerättyä dataa, joka vastaa 19.7/fb.
  • Kuosmanen, Anna (Helsingin yliopisto, 2017)
    Transkriptiossa organismin geenien mallin mukaan luodaan RNA-molekyyleja. Lukuisat tekijät, sekä solun sisäiset että ulkoiset, määrittävät mitä geenejä transkriptoidaan, ja missä määrin. Tämän prosessin tutkiminen antaa arvokasta tietoa esimerkiksi lääketieteelliseen diagnostiikkaan. Yksi yleisistä RNA-sekvensointidatan analyysitavoista koostuu kolmesta osasta: lukujaksojen (read sequences) linjaus referenssigenomiin, transkriptien kokoaminen, ja transkriptien ekspressiotasojen määrittäminen. Toisen sukupolven sekvensointiteknologian kehityksen myötä sekvensoinnin hinta laski huomattavasti, mikä salli RNA-sekvensointidatan käytön yhä useampaan tarkoitukseen. Nyt kolmannen sukupolven sekvensointiteknologiat tarjoavat kertaluokkaa pidempiä lukujaksoja, mikä laajentaa analysointimahdollisuuksia. Kuitenkin suurempi virhemäärä, korkeampi hinta ja pienempi määrä tuotettua dataa tuovat omat haasteensa. Toisen ja kolmannen sukupolven teknologioiden käyttäminen yhdessä, ns. hybridilähestymistapa, on tutkimussuunta joka on kerännyt paljon kiinnostusta viimeaikoina. Tämän tutkielman ensimmäinen osa keskittyy toisen sukupolven, eli ns. lyhyiden RNA-lukujaksojen (short read), analyysiin. Näiden lyhyiden lukujaksojen linjausta referenssigenomiin on tutkittu jo 2000-luvulla, joten tällä alueella keskitymme olemassaolevaan kirjallisuuteen. Transkriptien kokoamisen alalta esittelemme metodin, joka käyttää vähimmäiskustannusvirtauksen (minimum-cost flow) mallia. Vähimmäiskustannusvirtauksen mallissa lukujaksoista luotu verkko peitetään joukolla polkuja, joiden kustannus on pienin mahdollinen. Virtausmalleja on käytetty myös muiden tutkijoiden kehittämissä analyysityökaluissa. Tämän tutkielman suurin kontribuutio on toisessa osassa, joka keskittyy ns. pitkien RNA-lukujaksojen (long read) analysointiin. Tutkimuksemme lähtökohtana on ollut malli, jossa pienimmän polkupeitteen (Minimum Path Cover) ongelmaan lisätään alipolkurajoitus (subpath constraint). Jokainen alipolkurajoitus vastaa eksoniketjua (exon chain), jotka jokin pitkä lukujakso peittää, ja jokaisen alipolkurajoituksen täytyy sisältyä kokonaan johonkin polkupeitteen polkuun. Tämän konseptin toteuttamisen lisäksi testasimme kokeellisesti erilaisia lähestymistapoja eksoniketjujen löytämiseksi. Näihin testattaviin lähestymistapoihin kuului pitkien lukujaksojen linjaaminen suoraan lyhyistä lukujaksoista luotuun verkkoon referenssigenomin sijaan. Tämä lähestymistapa johti tämän tutkielman viimeiseen kontribuutioon: kolineaarisen ketjun (co-linear chaining) algoritmin yleistäminen kahden sekvenssin sijasta sekvenssiin ja suunnattuun syklittömään verkkoon.
  • Moreno, Miguel (Helsingin yliopisto, 2017)
    Model theory and set theory are two disciplines of mathematical logic which can be used to study the Borel reducibility hierarchy in the generalized Baire space. These two disciplines are connected when the complexity of complete first order theories is studied. Each of these disciplines has its approach to measure the complexity of complete first order theories. The Borel reducibility hierarchy in the generalized Baire space shows us a deep connection between these two approaches. In Shelah's stability theory, a classifiable theory is a theory with an invariant that determines the structures up to isomorphisms, a theory with no invariant of this kind is a non-classifiable theory. This tell us that a theory with an invariant of this kind is less complex than a theory with no invariant of this kind. Shelah's stability theory tells us that every countable complete first-order classifiable theory is less complex than all countable complete first-order non-classifiable theories. The subject of study in this thesis is the question: Are all classifiable theories less complex than all the non-classifiable theories, in the Borel reducibility hierarchy? There are two frames where this question can be studied, the generalized Baire space and the generalized Cantor space. It is known that for every theory T, the isomorphism relation of T in the generalized Cantor space and the isomorphism relation of T in the generalized Baire space have the same complexity. This gives us the freedom to choose in which space we would like to work. This question was studied by Friedman, Hyttinen, and Kulikov between others, in previous works. Some of the results in those works pointed out that the relation equivalence modulo the non-stationary ideal might be one of the keys to understand the reducibility of the isomorphism relations. The work of Friedman, Hyttinen, and Kulikov leads to two approaches for the main question: Is it provable in ZFC that in the generalized Cantor space, the isomorphism relation of T is Borel reducible to the equivalence modulo the non-stationary ideal, for T a classifiable theory? Is it provable in ZFC that in the generalized Cantor space, the equivalence modulo the non-stationary ideal is Borel reducible to the isomorphism relation of T, for T a non-classifiable theory? Is it provable in ZFC that in the generalized Baire space, the isomorphism relation of T is Borel reducible to the equivalence modulo the non-stationary ideal, for T a classifiable theory? Is it provable in ZFC that in the generalized Baire space, the equivalence modulo the non-stationary ideal is Borel reducible to the isomorphism relation of T, for T a non-classifiable theory? The work of Friedman, Hyttinen, and Kulikov gives a partial answer to this question. At the same time this points out to a question that might be the key to understand the the connection between classification theory and the Borel reducibility hierarchy: Does the equivalence modulo the non-stationary ideal has the same complexity in the generalized Cantor space as in the generalized Baire space? It is known that the isomorphism relations have the same complexity in the generalized Cantor space as in the generalized Baire space. These are the questions studied in this thesis.
  • Oksman, Mimmi (Helsingin yliopisto, 2017)
    Viimeaikaiset muutokset arktisessa ympäristössä ovat tapahtuneet hälyttävällä nopeudella ja intensiteetillä, sillä arktinen alue on herkkä ilmaston vaihteluille. Tutkimalla menneitä ilmasto-olosuhteita sekä vuorovaikutuksia ilmastosysteemin komponenttien välillä, voidaan paremmin ymmärtää nykyisiä muutoksia arktisessa ympäristössä sekä arvioida tulevia ilmastonmuutoksen vaikutuksia. Merenpohjan sedimenttisarjat tarjoavat epäsuoraa tietoa menneistä pitkän aikavälin ilmastonvaihteluista sekä meren pintaveden olosuhteiden muutoksista. Jäätikön reunan läheisyydestä saatavan tiedon avulla pystytään tutkimaan muinaisia meren ja jäätikön välisiä vuorovaikutuksia, mikä on erittäin tärkeä ymmärtää arvioitaessa nykyisen meren pintaveden lämpenemisen vaikutuksia Grönlannin mereen päättyviin jäätikköihin. Tässä työssä tutkitaan edellisen jääkauden jälkeisiä merenpinnan olosuhteiden (meriveden pintalämpötilan, merijään ja merivirtojen) vaihteluita Pohjois-Huippuvuorilta sekä Baffininlahdelta käyttäen piileväyhteisöjä. Työssä käytetään piileväyhteisöihin perustuvia kvantitatiivisiä ja kvalitatiivisia metodeja, sekä sedimentin raekoko-analyysiä. Työssä tutkitaan myös yleisempien pohjoisella Pohjois-Atlantilla esiintyvien piilevien ekologiaa sekä vasteita yleisimpiin ympäristömuuttujiin; meriveden pintalämpötilaan ja merijäähän. Lajikohtaisia ympäristövasteita tutkimalla pyritään selvittämään parhaimmat indikaattorilajit tutkituille ympäristömuuttujille sekä edistämään lajien käyttömahdollisuuksia paleotutkimuksissa. Baffininlahdelta tutkittiin deglasiaation aikaisia (10 000−14 000 vuotta sitten) muutoksia. Tulokset osoittavat että meren pintavedet olivat lämpimiä kylmän Nuorempi Dryas-kauden aikana (11 700−12 900 vuotta sitten), mikä viittaa siihen että meren pintaosien olosuhteet poikkesivat Grönlannissa vallinneista ilmasto-olosuhteista. Nämä lämpimät olosuhteet aiheutuivat alueella lisääntyneestä Atlanttisesta merivirtauksesta sekä pohjoisella pallonpuoliskolla lisääntyneestä auringon säteilystä. Lämpimällä merivedellä oli suuri vaikutus Länsi-Grönlannissa sijaitsevan Jakobshavn Isbræ-jäätikkövirran romahtamiseen. Pohjois-Huippuvuorilta tutkittu sedimenttisarja kattaa noin viimeisen 4 200 vuoden ajanjakson. Tuloksien perusteella Pohjois-Huippuvuorilla tapahtui merkittävä muutos noin 2 500 vuotta sitten kun ilmasto vaihtui melko tasaisesta hyvin vaihtelevaksi samalla kun alueella sijainnut jäätikkö vetäytyi tutkimusalueen läheisyydestä kauemmaksi. Koska piileviä käytetään indikkaattoreita paleoilmastotutkimuksissa, on erityisen tärkeää tuntea piilevien ekologiaa ja lajikohtaisia vasteita ympäristömuuttujiin. Tutkimus piilevien lajikohtaisista ympäristövasteista ja ekologiasta jakaa lajit kylmän-, lämpimän- ja lauhkeanveden indilaattoreiksi sekä merijää-indikaattoreiksi. Tutkimus osoittaa että kaikilla merijäähän yhdistetyillä lajeilla ei ole tilastollisesti merkittävää suhdetta merijäähän, osoittaen että näiden lajien ekologia on luultua monimutkaisempi. Kokonaisuudessaan työ esittelee menneitä meren pintaosissa ja ilmastossa tapahtuneita vaihteluita, mikä lisää ymmärrystämme ja uudistaa joitakin aiempia käsityksiämme menneistä paikallisista ilmastonvaihteluista. Lisäksi tutkimus vahvistaa nykyistä tietämystämme Pohjois-Atlantin piilevälajiston ympäristövasteista, mutta myös kyseenalaistaa joidenkin lajien nykyistä käyttöä indikaattoreina paleotutkimuksissa, sekä tuo esiin taksonomisia ongelmia jotka vaativat selvitystä tulevaisuudessa, sillä ne voivat mahdollisesti vääristää tulkintoja ja aiheuttaa virheellisiä ilmastorekonstruktioita.
  • Du, Mian (Helsingin yliopisto, 2017)
    Nykyinen tiedon määrän räjähdysmäinen kasvu vaikuttaa liiketoimintaan, erityisesti yritysstrategioihin ja liiketoimintaan liittyvään päätöksentekoon. Erilaisten liiketoimintatiedon hallintatyökalujen tavoitteena on auttaa niiden käyttäjiä ymmärtämään markkinoiden kehitystä, mikä on ratkaisevan tärkeää yritysten päivittäisten toimintojen kannalta. Tyypillinen liiketoimintatiedon hallintatehtävä on esimerkiksi tarkkojen ja olennaisten tietojen hankkiminen kilpailijan toiminnasta samalla toimialalla. Tässä väitöskirjassa esitellään järjestelmä, jossa luonnollisen kielen käsittelymenetelmillä pyritään ratkaisemaan informaation ylikuormituksesta aiheutuvia ongelmia liiketoiminnassa. Järjestelmässä tähän käytetään dokumenttien suodatusta, tiedon eristämistä sekä erilaisia ohjattuja ja puoliohjattuja koneoppimismenetelmiä. Järjestelmän syötteitä ovat online-uutispalveluista ja yrityksen lehdistötiedotesivuilta löytyvät erilaiset uutisartikkelit. Väitöskirjassa osoitetaan ensin, että yhdistämällä luonnollisen kielen käsittelytekniikoita (ns. NLP-tekniikoita) ja sekvenssitiedonlouhintaa voidaan rakenteeltaan luonnollisesta tekstistä, toisin sanoen uutisartikkeleista, löytää erilaisia hahmoja, jotka liittyvät tietyn aihepiirin uutisiin. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että näillä menetelmillä voidaan suodattaa pois tarkasteltavan liiketoimintaskenaarion kannalta merkityksettömät uutisartikkelit. Sitten tähän tiettyyn skenaarioon liittyvät yhteenvedot voidaan rakentaa poimimalla tärkeitä lauseita asiaankuuluvista merkityksellisistä artikkeleista. Artikkelien suodatuksessa tämän menetelmän tarkkuus, eli merkityksellisten artikkelien osuus kaikista löydetyistä artikkeleista, on korkea samalla, kun merkityksellisten artikkelien saanti eli se osuus, joka aihepiirin merkityksellisistä artikkeleista löydetään, pysyy myös melko korkeana. Työssä esitellään tämän jälkeen liiketoimintaan liittyvien uutisartikkelien luokittelua eri teollisuuden sektoreille ohjatun oppimisen avulla. Tärkein tähän liittyvä havainto on se, että käytettäessä työssä kehitettyä enemmistöäänestykseen perustuvaa luokittelijaa yhdessä jonkin tasapainotetun tilastollisen luokittelijan kanssa on luokittelutulos parempi kuin käytettäessä kumpaakaan luokittelijaa yksinään. Tämä menetelmä myös tuottaa paremman luokittelutuloksen kuin aiemmin raportoidut menetelmät samalla, kun luokitteluun käytetään saman verran opetusaineistoa kuin, mitä sääntöpohjainen luokittelija tarvitsee, ja huomattavasti vähemmän aineistoa kuin, mitä tilastolliset luokittelijat vaativat. Lisäksi väitöskirjatyössä tutkitaan yritysuutisten, sosiaalisen median näkyvyyden ja osakekurssien välistä vuorovaikutusta. Verkkouutisista syvällisen kielellisen analyysin avulla saatuja tietoja käytetään kyselyjen rakentamiseen erilaisille sosiaalisen median alustoille. Työssä esitetyt tärkeimmät tulokset osoittavat mielenkiintoisia korrelaatioita yrityksen mainitsevien uutisten ja sen Wikipedia-sivulle tehtyjen vierailujen välillä. Näiden tutkimusteemojen pohjalta väitöskirjassa esitetään myös kokonaisvaltaisen päätöksentekojärjestelmän rakenne ja arkkitehtuuri. Tämä järjestelmä on esimerkki edellä mainittujen tutkimustulosten käyttämisestä tiedon eristämiseen, analysointiin ja järjestämiseen tekstimuotoisista uutisista.
  • Alekseychik, Pavel (Helsingin yliopisto, 2017)
    N/A
  • Hippeläinen, Eero (Helsingin yliopisto, 2017)
    Lutetium-177 (Lu-177) -oktreotaattihoito on tehokas hoitomenetelmä levinneisiin neuroendokriinisiin kasvaimiin. Suonensisäisesti annettava Lu-177 -isotoopilla leimattu oktreotaatti sitoutuu kasvaimien pinnalla ilmeneviin somatostatiinireseptoreihin ja Lu-177:n emittoima elektronisäteily tuhoaa syöpäsolukkoa. Paikallisesti ionisoivan elektronisäteilyn lisäksi Lu-177 emittoi myös gammasäteilyä, joka voidaan kuvantaa gammakameralla potilaan ulkopuolelta. Oktreotaatti sitoutuu pieninä määrinä myös terveisiin kudoksiin. Sitoutumaton lääke erittyy munuaisten kautta virtsaan, minkä seurauksena munuaiset voivat saada hoidoista suuren säteilyannoksen. Tämä voi johtaa munuaisten vajaatoimintaan. Munuaisiin kertyvän radiolääkkeen määrä vaihtelee suuresti potilaiden välillä, minkä vuoksi munuaisiin kohdistuvaa säderasitusta tulee seurata potilaskohtaisesti. Tämän väitöskirjan tavoite oli kehittää annoslaskentaohjelma radionuklidihoitoihin keskittyen Lu-177 -oktreotaattihoitoihin. Työssä tutkittiin Lu-177 -aktiivisuuden määrityksen tarkkuutta SPECT-TT-kuvauksilla ja eri kuvarekonstruktiomenetelmien vaikutusta aktiivisuuden määrityksen suorituskykyyn. Monte Carlo -simuloinneilla tutkittiin Lu-177:n elektroni- ja gammasäteilyn annosjakaumia. Kliinisesti käytössä olevilla annoslaskentamenetelmillä vertailtiin Lu-177 -oktreotaattihoidettujen potilaiden munuaisannoksia ja annosten vaihtelua hoitokertojen välillä. Yhdistämällä näiden töiden tulokset kehitettiin uusi potilaan yksilöllisiin SPECT-TT-kuviin perustuva annoslaskentaohjelma. Työssä osoitettiin, että kuvarekonstruktiossa käytettävillä kompensaatiomenetelmillä on huomattava vaikutus Lu-177:n aktiivisuuden määrityksen tarkkuuteen etenkin pienten kohteiden kohdalla. Tarkimmat tulokset saavutettiin yhdistämällä kuvarekonstruktioon vaimennuskorjaus, sirontakorjaus ja kollimaattori-detektori-vastemallinnus. Monte Carlo -simulointien avulla havaittiin elektronisäteilyn kantaman olevan häviävän pieni verrattuna gammakameran erotuskykyyn. Tämän takia SPECT-kuviin perustuvassa Lu-177:n annoslaskennassa voidaankin olettaa elektronien absorboituvan paikallisesti. Toisaalta simuloinneissa havaittiin, että hyvin aktiivisista lähteistä aiheutuu suuri gammasäteilyannos, joka tulisi ottaa huomioon annoslaskennassa. Lu-177 -oktreotaattihoidettujen potilaiden munuaisten säteilyannokset vaihtelivat suuresti. Potilaskuvista määritetyistä annosjakaumista havaittiin, että munuaisten keskimääräinen annos ja maksimiannos erosivat toisistaan tilastollisesti merkitsevästi. Radionuklidihoitojen annoslaskenta on monivaiheinen prosessi, jossa SPECT-kuvaus- ja rekonstruktiomenetelmät ovat keskeisessä asemassa. Tämän lisäksi annoslaskenta- ja analyysimenetelmien tulee olla käyttötarkoitukseen validoituja. Väitöskirjassa esitetty annoslaskentaohjelma mahdollistaa potilaan yksilöllisiin SPECT-TT-kuviin perustuvan annoslaskennan. Ohjelma validoitiin Lu-177 -oktreotaattihoitojen munuaisannoksen määrittämiseen, mutta sen kehittäminen muiden radionuklidien annoslaskentaan on mahdollista. Ohjelmiston kehitys on tehty yhteistyössä HERMES Medical Solution -yrityksen kanssa ja ohjelma tulee kaupallisesti saataville.
  • Kokkonen, Tommi (Helsingin yliopisto, 2017)
    Eräs luonnontieteiden opetuksen ja oppimisen keskeisimpiä ongelmia on, että oppijoiden käsitykset eroavat merkittävällä tavalla tieteellisistä tiedosta ja niiden muuttaminen on vaikeaa ja hidasta. Oppijoiden käsitysten muuttumista tarkastellaan usein käsitteellisen muutoksen näkökulmasta. Tässä työssä käsitteellistä muutosta tarkastellaan käsitteiden oppimisena, jossa käsitteet ymmärretään monimutkaisina rakenteina, jotka ovat laajemman käsitejärjestelmän osia. Tätä lähestymistapaa kutsutaan tässä systeemiseksi näkökulmaksi. Systeeminen näkökulma perustuu yhtäältä viimeaikaiseen niin kutsuttuihin relationaalisiin käsitteisiin keskittyneeseen kognitiotieteen tutkimukseen. Relationaaliset käsitteet ovat käsitteitä, joiden merkitys perustuu niiden sisältämiin riippuvuussuhteisiin (so. relaatioihin) tai siihen, mikä niiden suhde toisiin käsitteisiin on. Toisaalta, tieteessä käsitteiden väliset riippuvuudet esiintyvät lakien ja mallien muodossa, jotka voidaan myös nähdä relaatiorakenteina. Niinpä relaatiot ovat keskeisiä paitsi kognition, myös tieteellisten käsitteiden näkökulmasta. Tämä työ yhdistää nämä kaksi näkökulmaa sekä kuvailee ja selvittämään niitä prosesseja, jotka johtavat tieteellisten käsitteiden oppimiseen. Väitöskirja koostuu viidestä artikkelista, joista kaksi ensimmäistä ovat empiirisiä tutkimuksia, joissa selvitetään yliopisto-opiskelijoiden käsityksiä tasavirtapiireihin liittyvistä käsitteistä. Käsitykset ja niiden muuttuminen esitetään graafein, jotka kuvaavat eri käsitteellisiä elementtejä ja niiden välisiä yhteyksiä. Nämä graafit toimivat myös lähtökohtana käsitteiden oppimisen laskennalliselle malleille, joita esitellään neljännessä ja viidennessä artikkelissa. Nämä laskennalliset mallit selventävät käsiterakenteen kehittymistä ja sen tilannesidonnaista dynamiikkaa. Kolmas artikkeli käsittelee tieteellisiä malleja ja niiden roolia käsitteiden oppimisessa. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että relaatiot sekä oppijoiden kyky omaksua ja muokata niitä ovat keskeisiä tieteellisten käsitteiden oppimisessa. Myös tieteellisten mallien tarkastelu relationaalisina rakenteina valottaa mallien ja niihin liittyvien käsitteiden oppimiseen liittyviä kognitiivisia prosesseja. Laskennalliset mallit puolestaan implikoivat, että käsitteiden oppiminen on vahvasti konteksti- ja tehtäväsidonnaista.
  • Myllys, Nanna (Helsingin yliopisto, 2017)
    Ilmakehän aerosolihiukkaset vaikuttavat maapallon ilmastoon ja ihmisten terveyteen. Suuri osa ilmakehän molekyyliklustereista muodostuu, kun kaasumolekyylit törmäilevät toisiinsa ja vuorovaikuttavat suotuisasti. Klustereiden muodostumiseen liittyvät yksityiskohtaiset mekanismit ja siihen osallistuvat yhdisteet ovat kuitenkin huonosti tunnettuja. Molekyylitason ymmärtäminen on erittäin tärkeää, jotta voidaan arvioida aerosolihiukkasten vaikutus ilmastonmuutokseen ja terveysongelmiin. Aerosolihiukkaset ovat suurin yksittäinen epävarmuustekijä tulevaisuuden ilmastoennusteissa. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan laskennallisin menetelmin mahdollisia molekyyliklustereiden muodostumismekanismeja rikkihapon, orgaanisten yhdisteiden, emästen ja ionien välillä. Klustereiden syntymiseen ja hajoamiseen liittyvä termodynamiikka tulee määrittää tarkasti, jotta voidaan tuottaa luotettavia muodostumis- ja hajoamisnopeuksia ilmakehän olosuhteissa. Tässä väitöskirjatyössä esitellään teoreettisesti hyvin perusteltu ja vertailuarvolaskuilla luotettavaksi todistettu lähestymistapa sovellettavaksi ilmakehän molekyyliklustereiden tutkimiseen. Tiheysfunktionaaliteorian on osoitettu soveltuvan molekyyliklustereiden rakenteiden optimoimiseen ja värähdystaajuuksien laskemiseen. Sidosenergioiden laskemiseen tarvitaan kuitenkin korkean tason elektronirakennelaskuja. Kanonista kytketty ryväs -menetelmää, CCSD(T), kutsutaan yleisesti kvanttikemian kultaiseksi standardiksi, mutta se on laskennallisesti liian raskas useita molekyylejä sisältäville klustereille. Menetelmän laskennallisia vaatimuksia voidaan vähentää käyttämällä DLPNO-likimääräismenetelmää, joka pohjautuu elektronikorrelaation lyhyeen kantamaan. DLPNO–CCSD(T)-menetelmällä voidaan laskea yli sata atomia sisältävien klustereiden energioita erittäin luotettavasti. Tämä mahdollistaa suurien molekyyliklustereiden tutkimisen CCSD(T)-menetelmän tarkkuudella, mikä ei ole ollut mahdollista aiemmin käytetyillä menetelmillä. Väitöskirjan teoreettisen taustan tarkoituksena on tarjota lukijalle kattava kuva erilaisista kvanttikemiallisista menetelmistä sekä perustella niiden heikkouksia ja vahvuuksia molekyyliklustereita tutkittaessa. Väitöskirjaa voidaan käyttää ilmakehän klusterien muodostumismekanismeihin liittyvien laskennallisten ongelmien käsikirjana. Väitöskirjatyön tutkimus vaikuttaa merkittävästi nykyiseen tietämykseen orgaanisten yhdisteiden osallistumisesta molekyyliklusterien muodostumiseen. Lisäksi väitöskirjassa esitellään tuleviin ilmakemian tutkimuksiin uudenlaisia kemiallisia yhdisteitä ja mekanismeja, joiden avulla voidaan mahdollisesti kytkeä kokeelliset ja teoreettiset havainnot toisiinsa.
  • Tenkanen, Henrikki (Helsingin yliopisto, 2017)
    Alueellisen saavutettavuuden ja ihmisten liikkumisen rakenteiden hahmottaminen on tärkeää yhteiskunnan toiminnan ymmärtämisessä. Saavutettavuusanalyyseistä on tullut yksi keskeisistä työkaluista alueellisen suunnittelun ja päätöksenteon tueksi. Käsitteinä saavutettavuus ja liikkuminen ovat lähellä toisiaan. Saavutettavuudella tarkoitetaan tyypillisesti ihmisten mahdollisuutta saavuttaa eri paikkoja liikkumalla, kun ihmisten liikkumisen tutkimus keskittyy toteutuneeseen liikkumiseen. Saavutettavuuden ja todellisen liikkumisen alueellisia rakenteita on tutkittu melko paljon eri ympäristöissä. Rakenteiden ajallisten muutosten huomioiminen saavutettavuus- ja liikkumistutkimuksessa on ollut paljon vähäisempää. Nykyiset massiiviset digitaaliset tietoaineistot ovat mahdollistaneet yhteiskunnan eri toimintojen tarkastelun ennennäkemättömällä tarkkuudella niin ajallisesti kuin alueellisestikin. Väitöskirjassani pyrin kehittämään ja soveltamaan uusia lähestymistapoja sekä analyyttisia työkaluja alueellisen saavutettavuuden sekä ihmisten liikkumisen tutkimuksessa. Lisäksi pyrin ymmärtämään kuinka saavutettavuusrakenteet sekä ihmisten liikkumisen rakenteet vaihtelevat ajassa ja tilassa eri aikaperspektiiveillä ulottuen tunneista ja päivistä aina kuukausittaisiin ja vuosienvälisiin tarkasteluihin. Työni anti tieteelliseen keskusteluun on menetelmäpainotteinen, mutta tarjoan myös kontekstisidonnaisia havaintoja tutkimusalueiltani. Uusien tietolähteiden sekä menetelmien suhteen on tärkeää ymmärtää toisaalta niiden tarjoamat mahdollisuudet, mutta myös heikkoudet. Yksi väitöskirjani tavoite onkin tarkastella näitä tekijöitä eri aineistojen ja menetelmien suhteen. Väitöskirjani koostuu johdanto-osasta sekä viidestä tieteellisestä artikkelista. Artikkelit on toteutettu erilaisissa maantieteellisissä ympäristöissä: Perun Amazoniassa, Suomen ja Etelä-Afrikan kansallispuistoissa, Tallinnassa sekä Helsingin metropolialueella. Tulokseni osoittavat, että alueelliset saavutettavuuden ja liikkumisen rakenteet vaihtelevat merkittävästi eri ajankohtina ja niissä on selkeitä päivittäisiä ja kausittaisia vaihteluja. Ajallinen vaihtelu kohdistuu kaikkiin saavutettavuuden komponentteihin, sillä niin liikennejärjestelmä, palveluverkko, kuin ihmisten sijainnitkin vaihtelevat merkittävästi ajassa. Näiden yhteisvaikutuksesta saavutettavuus saattaa samalla alueellakin näyttäytyä eri ajankohtina hyvin erilaisena. Saavuttavuuden ajallinen vaihtelu olisikin tärkeää huomioida entistä paremmin esimerkiksi suunnittelussa. Lisäksi saavutettavuuden alueelliset rakenteet näyttäytyvät hyvin erilaisina riippuen siitä, millä kulkutavalla saavutettavuutta mallinnetaan. Autoilijan saavutettavuustodellisuus on toisenlainen kuin joukkoliikenteen käyttäjän. Tulokseni osoittavat, että myös luonnon dynamiikalla voi olla suuri merkitys saavutettavuuteen. Esimerkiksi Amazonian jokien vedenkorkeuden vuodenaikainen vaihtelu vaikuttaa suuresti navigoimiseen ja saavutettavuusrakenteisiin alueellisella tasolla. Liikenneverkon dynaamisuuden lisäksi myös ihmisten liike, ja ihmisten sijainnin dynaamisuus, tulisi ottaa huomioon saavutettavuusmallinnuksessa. Ihmisten vaihtelevien sijaintien tutkimus on perinteisesti vaikeaa, mutta uusilla aineistolähteillä, kuten sosiaalisella medialla, voidaan tuottaa tästä uutta tietoa. Toisaalta dynaaminen saavutettavuus on pitkälti riippuvainen kohdepisteiden, kuten palveluiden alueellisista rakenteista. Alueilla joissa liikenneverkko on melko vakiintunut, palveluiden rakennemuutoksilla saattaa olla liikennehankkeita suurempi vaikutus saavutettavuuteen. Menetelmällisesti väitöskirjani osoittaa eri datalähteiden ja menetelmien yhdistelyn tärkeyden datan spatiaalisen ja ajallisen tarkkuuden parantamisessa, yhdenmukaistamisessa, laadun arvioimisessa, ja rikastamisessa. Lopuksi haluan korostaa tieteellisen tiedon, menetelmien ja aineistojen avoimuuden tärkeyttä, sillä sen avulla tehty työ on mahdollista saada tehokkaasti osaksi käytännön suunnittelua ja päätöksentekoa. Väitöskirjassani kehittämäni työkalut ja sen aikana tuotetut datat onkin julkaistu pääsääntöisesti avoimesti. Tämän ansiosta niitä voidaan vapaasti hyödyntää ja niiden laatua voidaan arvioida kriittisesti. Avoimuuden seurauksena työssä kehitetyt menetelmät ovat jo päätyneet osaksi käytännön aluesuunnittelutyötä. Asiasanat: Saavutettavuus; Liikkuminen; Aika-tilallisuus; Multimodaalisuus; Matka-aika; Avoin data; GIS; Sosiaalinen media; Datatiede; Tiedonlouhinta; Alueellinen suunnittelu; Kansallispuistot; Suomi; Etelä-Afrikka; Perun Amazonia; Pääkaupunkiseutu; Tallinna
  • Päivärinta, Sanna-Mari (Helsingin yliopisto, 2017)
    Paritonta typpeä (NOx = N + NO + NO2) syntyy napa-alueilla pääasiassa yläilmakehässä ultraviolettisäteilyn, röntgensäteilyn ja avaruudesta peräisin olevien suurienergisten hiukkasten aiheuttaman ionisaation seurauksena. Korkean geomagneettisen aktiivisuuden aikana, yleensä lähellä aurinkopilkkujakson maksimia, suurienergiset hiukkaset tuottavat NOx -yhdisteitä suoraan keski-ilmakehässä. NOx -yhdisteiden käyttäytymisen ymmärtäminen keski-ilmakehässä on ensiarvoisen tärkeää, koska NOx -yhdisteet toimivat katalyytteinä kemiallisissa reaktiosykleissä otsonia tuhoten. Tämä väitöstyö keskittyy Auringosta tuleviin suurienergisiin protoneihin eli niin kutsuttuihin Auringon protonimyrskyihin (SPE). Ilmakehän dynamiikka vaikuttaa pitkäikästen yhdisteiden pitoisuuksiin keski-ilmakehässä. NOx -yhdisteiden pääasiallinen tuhoutumiskeino ylästratosfäärissä ja mesosfäärissä on fotolyysi, joka johtaa NOx -yhdisteiden pitkään fotokemialliseen elinikään napa-alueiden pimeän talven aikana. Tästä syystä NOx, joita protonit voivat tuottaa keski-ilmakehään, on altis ilmakehän dynamiikalle ja sitä kulkeutuu helposti mesosfääristä ja alatermosfääristä alemmas keski-ilmakehään. Tämä alaspäin suuntautuva kuljetusliike voi voimistua pohjoisella napaalueella stratosfäärin äkillisiksi lämpenemisiksi (SSW) kutsuttujen dynaamisten ilmiöiden jälkeen. Voimistunut NOx -kuljetus keski-ilmakehään voi täten vahvistaa NOx-otsoni kytkentää stratosfäärissä. Tässä väitöstyössä käytettiin sekä satelliittihavaintoja useasta eri instrumentista että ilmakehän kemiakuljetusmallia tutkimaan SSW ja SPE vaikutuksia stratosfäärissä ja mesosfäärissä. Työn tieteelliset tavoitteet olivat selvittää lämpenemisten ja protonimyrskyjen yksittäiset ja yhteiset vaikutukset NOx-yhdisteisiin ja otsoniin pohjoisen napa-alueen keski-ilmakehässä sekä määrittää dynamiikan (SSW) ja NOx tuoton (SPE) suhteelliset merkitykset stratosfäärin otsoniin. Tulokset osoittivat NOx -yhdisteiden pitoisuuksien dramaattisen nousun jopa 50-kertaiseksi sekä voimistuneen laskuliikkeen että protonimyrskyjen aikana. Selvä pitkäaikainen, kuukausia kestävä lasku (10-90 %) stratosfäärin otsonipitoisuuksissa tapahtui samaan aikaan NOx pitoisuuksien kasvun kanssa. Ylästratosfäärissä tämä oli pääosin seurausta dynamiikasta ja voimistuneen laskuliikkeen mukanaan tuomista NOx -yhdisteistä kyseiselle alueelle. Tämän väitöstyön tulokset korostavat ilmakehän dynamiikan tärkeää roolia SPE vaikutusten kuljettamisessa alemmille korkeuksille ja sen mahdollisuudesta voimistaa otsonin tuhoutumista ylästratosfäärissä.