Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta

 

Recent Submissions

  • Blom, Henri (2016)
    Älyliikenteen sovellukset ovat yleistymässä kaupunkiliikenteessä. Kaupunkiliikenne on perinteisesti menneiden vuosikymmenien aikana tukeutunut vahvasti yksityisautoiluun, jota liikennesuunnittelu ja liikennepoliittiset ratkaisut ovat tukeneet. Uudessa liikennepolitiikassa on alettu tavoittelemaan joukkoliikenteen ja kevyen liikenteen kulkutapaosuuksien kasvua. Käytännöt eivät kuitenkaan muutu nopeasti. Älyliikenneinnovaatiot muokkaavat asukkaiden mieltymyksiä eri liikkumistavoista ja niillä tavoitellaan muun muassa entistä turvallisempaa ja ympäristöystävällisempää kaupunkiliikennettä. Tarkastelen tässä tutkielmassa HSL:n vuosina 2012-2015 toteuttamaa Kutsuplus älyliikennepalvelua ja yleisemmin pääkaupunkiseudulla toteutuneita ja käytössä olevia älyliikenneinnovaatioita. Tutkimuskysymyksenä on voiko yksittäinen älyliikenneinnovaatio, tässä Kutsuplus vaikuttaa ihmisten kulkutapavalintoihin kaupunkitilassa ja kasvattaa siten joukkoliikenteen kilpailukykyä.
  • Meriläinen, Sonja (2016)
    Uudet opetussuunnitelman perusteet asettavat tavoitteeksi itseohjautuvan, tekemiensä havaintojen pohjalta kriittiseen ajatteluun kykenevän oppilaan. Jotta tähän päästäisiin, on opetuksessa pyrittävä siirtymään entistä enemmän oppilaskeskeiseen opetukseen. Erilaiset oppimisympäristöt, vaihtelevat työtavat ja digitaalisten välineiden käyttö opetuksessa ovat myös oleellisia. Tämän Pro gradu-työ pohjautuu näihin tarpeisiin. Tämä tutkimus on kehittämistutkimus, jossa kehitettiin mustikan ja puolukan kemiaa kontekstina käyttävä ja kokeellisiin kotitehtäviin nojaava verkkomateriaali. Mustikka ja puolukka ovat miltei jokaiselle suomalaiselle tuttuja, mutta niiden kemiaa käsitellään kouluissa suppeasti. Nämä marjat sisältävät runsaasti ravintoaineita sekä kemiallisia yhdisteitä, joiden terveysvaikutuksia on tutkittu runsaasti. Mustikka ja puolukka ovat raaka-aineina jokaisen saatavilla ja niiden käyttöä kokeellisissa kotitehtävissä tukee myös niiden vaarattomuus. Tämä kehittämistutkimus toteutettiin yhdessä kehittämissyklissä. Se sisältää teoreettisen ja empiirisen ongelma-analyysin, joiden pohjalta on kehitetty kehittämistuotos. Empiirinen ongelma-analyysi suoritettiin oppikirja-analyysillä ja opettajille suunnatulla lomaketutkimuksella. Toinen sykli kehittämistutkimuksessa olisi vaatinut kehittämistuotoksen testauksen oppilasryhmällä. Kehittämistuotos löytyy osoitteesta: https://marjojenkemia.wordpress.com/mustikan-ja-puolukan-kemiaa/
  • Mannisto, Jere (2016)
    Litteraturgranskningen i denna pro gradu behandlar oxidation av inerta C-H-bindningar med järnbaserade icke-hemkomplex. Naturligt förekommande enzymers aktiva centrum har använts som inspiration vid utveckling av katalytiska komplex. Forskningsområdet har attraherat stort intresse en längre tid eftersom kemiindustrins utgångsämnen är huvudsakligen ofunktionaliserade kolväten som utvinns ur råolja. Ett stort genombrott gjordes år 2001 då det syntetiserades ett järnkomplex vars katalytiska cykel involverade en metallcentrerad FeV=O-oxidant. Kolväten oxiderades avsevärt effektivare jämfört med tidigare komplex som oxiderade substrat via fria radikaler. Sedan dess har utvecklingen skett snabbt. Det har bevisats att ligandgeometrin påverkar kraftigt den katalytiska aktiviteten. Komplex med cis-α-geometri har den bästa aktiviteten. Oxidationsselektiviteten baserar sig på sterisk växelverkan mellan substrat och ligand, samt elektroniska och stereoelektoniska egenskaper hos substratet. Dessa faktorer kan överskridas om substratet har en dirigerande karboxylsyra. Steriskt hindrade ligander förlänger den katalytiska livstiden och förbättrar oxidationsselektiviteten. Det har nyligen föreslagits en alternativ katalytisk cykel som involverar en FeIV=O-intermediär för komplex med en trigonal bipyramidstruktur. I framtiden kommer det att vara relevant att indela icke-hemkomplex i två olika undergrupper på basen av geometri och oxidationstillståndet av järn. I den experimentella delen presenteras syntesen för nya ligander. Dessa jämfördes med kommersiella ligander vid järnkatalyserad oxidation av etylbensen och cyklohexan. Oxidation av C-H-bindningar skedde enbart i närvaro av järn. Utbytet förbättrades varken av de nya eller kommersiella liganderna. Produktprofilen tydde inte på en metallcentrerad oxidant. Sannolikt bildades det långlivade alkylradikaler såsom i Gif-kemi.
  • Kivi, Sami (2016)
    Termoelektriset materiaalit ovat yhä tärkeämpiä tulevaisuudessa pyrittäessä suurempaan energiatehokkuuteen. Hukkalämmön ja muilla keinoilla hyödyntämättömissä olevan lämmön talteenotto sähköenergian muodossa kasvattaa esimerkiksi hybridiautojen hyötysuhdetta ja rakennusten energiatehokkuutta. Tehokkaat termoelektriset laitteet ovat hyödyllisiä myös kaikissa sovelluksissa, joissa halutaan tuottaa tietty lämpötilaero tarkasti hankalissa paikoissa, missä resistiivinen lämmitys ei ole mahdollista. Erilaisilla nanokomposiittirakenteilla on pyritty pienentämään materiaalin lämmönjohtavuutta. Rajapinnat ja epäjatkuvuudet sirottavat hilavärähtelykvantteja eli fononeja, ja tuottamalla materiaaliin eri mittaluokkien kidevirheitä voidaan vaikuttaa lämmönjohtavuuteen merkittävästi. Tutkielman kirjallisuuskatsauksessa käsitellään dimensionaalisuuden vaikutusta materiaalin termoelektrisiin ominaisuuksiin ja eri rakenteiden hyödyntämistä termoelektrisissä sovelluksissa, sekä muutamia esimerkkejä termoelektrisistä nanokomposiittimateriaaleista. Kokeellisessa osassa tutkittiin erilaisia atomikerroskasvatuksella (ALD) valmistettuja Bi2Te3/Al2O3- ja Bi2Te3/polyimidi-nanorakenteita. Näytteiden koostumusta ja rakennetta analysoitiin eri menetelmillä: komposiittinäytteissä havaittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) Bi2Te3-ohutkalvoille ominaista morfologiaa ja kalvot olivat melko karkeita. XRD:llä havaittiin materiaalille ominaisia kidetasoja, joiden intensiteettisuhteet poikkesivat kirjallisuuden bulkkinäytteistä huomattavasti. Komposiittirakenteen tutkimisessa läpivalaisuelektronimikroskopia (TEM) oli välttämätön menetelmä. Termoelektrisiä ominaisuuksia tutkittiin TDTR-menetelmällä ja Seebeckin kertoimia mittaamalla. Kerrospaksuuksia säätelemällä pystyttiin kasvattamaan sekä nanolaminaatteja että nanodispersioita. Pienemmillä kerrospaksuuksilla kalvot olivat dispersiomaisia ja suuremmilla kerrospaksuuksilla laminaatteja. Nanokomposiittirakenteen havaittiin pienentävän kalvon lämmönjohtavuutta jopa kaksi kolmasosaa. Samalla tosin Seebeckin kerroin pieneni pelkkään Bi2Te3-kalvoon verrattuna.
  • Borre, Katja (2016)
    The literature part goes over the discovery of frustrated Lewis pairs, and their use in catalysis to effect hydrogenation. It spans the road from simple hydrogen activation to asymmetric hydrogenation of substrates. The topic is limited to substrates with polar double bonds and amino- and phosphinoboranes as catalysts. The research comes in three parts. The first part was catalysis testing a newly found aminoborane in hydrogenation reactions in mild conditions. This entailed relatively normal laboratory glassware: Schlenk tubes and the Schlenk line to provide the inert gas atmosphere and of course the hydrogen gas itself. The second and third part are concerned with catalyst synthesis. The second was attempting to create Lewis acids in the image of the catalyst in the first part, to gain more insight of the effects of the structure of the acid. The third similarly was concerned with creating a new variant of an already existing catalyst to see whether minor tweaking of its structure might improve its performance. For the second and third parts however, the synthesis was quite difficult, and catalysis was never reached. Based on literature it was found that adduct formation did not necessarily exclude hydrogen activation, but that an equilibrium state was necessary for them to co-exist. However, sterically demanding environment was no longer a requirement for both the acid and base. For the reversible reaction to be feasible, the acid and base mustn't have too much affinity to their half of the hydrogen molecule. It seems that the acid has more impact on the reversibility of hydrogen activation, and it may be possible to modify an acid to make an irreversible activation reaction reversible. For enantioselective catalysis, the catalyst itself must introduce the element of chirality to the system, so that it may favour one orientation of the substrate over the other. Whether chiral or not, it seems clear that a hindered catalyst will prefer unhindered substrates and vice versa. This allows us to choose an appropriate catalyst for the substrate we have in mind. To that end, it is a good thing to have a spectrum of catalysts: specific tools for specific jobs. In designing new chiral catalysts, it seems one needs to consider how to implement the element of chirality to the structure, the electronic and steric conditions, and the acidity and basicity of the acid and base groups. Especially worth considering are the 4- and 6-membered rings that form in the catalyst before and after hydrogen activation. 6-membered rings in the salt are especially worth avoiding. The catalysis testing yielded preliminary results and guided the path to finding the most optimal conditions for each substrate tested. One of the catalysis syntheses suffered from straightforward difficulties in synthesis and purification, and larger, more complicated Lewis acids of similar structure have already been synthesized. Thus it doesn't seem likely that this particular branch of study is worth the effort, certainly not commercially. The other catalysis synthesis had the most difficulty in separating the diastereomers, which was time consuming. Therefore that branch doesn't seem very practical either.
  • Holmström, Axi (2016)
    Quantum Neural Networks (QNN) were used to predict both future steering wheel signals and upcoming lane departures for N=34 drivers undergoing 37 h of sleep deprivation. The drivers drove in a moving-base truck simulator for 55 min once every third hour, resulting in 31 200 km of highway driving, out of which 8432 km were on straights. Predicting the steering wheel signal one time step ahead, 0.1 s, was achieved with a 15-40-20-1 time-delayed feed-forward QNN with a root-mean-square error of RMSEtot=0.007 a.u. corresponding to a 0.4 % relative error. The best prediction of the number of lane departures during the subsequent 10 s was achieved using the maximum peak-to-peak amplitude of the steering wheel signal from the previous ten 1 s segments as inputs to a 10-15-5-1 time-delayed feed-forward QNN. A correct prediction was achieved in 55 % of cases and the overall sensitivity and specificity were 31 % and 80 %, respectively.
  • Nourazar, Mehdi (2016)
    Nanowires made of semiconducting materials are of great relevance and significance in future nanotechnological applications. Irradiation of nanowires is a decisive method used to dope nanowires and tune their structural, mechanical and optical properties. In this study the effects of ion irradiation of an amorphus silicon-dioxide nanowire with a Si core and SiO 2 shell are studied utilizing classical molecular dynamics (MD) simulation. The groundwork is based on the analysis of structural properties and sputtering effects of nanowire or nanorod under irradiation. Here the term nanorod or nanowire refers to any cylindrical shape that has arbitrary length and the cross-sectional diameter ranging from 1 to 100 nanometers. At lengths starting from several times the diameter, it becomes possible to simulate the nanorods and their properties using MD methods. A single argon ion was used for the irradiation process and the properties of the nanowire and sputtering effects were analyzed. The argon ions used for the irradiation process range from 1 to 30 kilo-electron volts (keV). The incident argon atom is irradiated perpendicular to the nanowire surface on both edge and flat surfaces at the given energy range. MD simulation provides the circumstances to simulate and study the sputtering effects of the irradiation process with a resolution in the femtosecond range. This resolution is not possible with current experimental methods and MD simulation is one of the only methods available to study this phenomenon. We performed 200 random individual argon impacts on the nanowire and present the average over all simulation runs. The results obtained show that the highest amounts of defects are produced at the irradiation energy of 10 keV. The defects also appear to be predominantly in the shell region of the nanowire regardless of incident ion energies.
  • Kivimäki, Ella (2016)
    Aerosol particles are one of the most studied phenomena of modern days because their concretion and chemical compositions affect, both directly and indirectly, many aspects of society, for example, human health. The source areas of the particles affects their chemical composition and concentration and thus it is important to know where aerosols originate. In addition to the source areas of particles, it is important to understand the processes that affect the particles during transport through the atmosphere, for example, wet deposition. The aims of the thesis were to find out the characteristics in the source areas (1) and the effect of wet deposition (2) on the particles detected at SMEAR II (Hyytiälä, Finland) measurement station. Both aims were studied with the FLEXPART model and to study the first aim also the Hysplit model was used. FLEXPART is a Lagrangian particle dispersion model and Hysplit is traditional trajectory model. The both aims were studied with 14 case studies and each case study was studied with 96 hour backward in time simulations. The Hysplit simulations were made for each case study once and the FLEXPART simulations were made for each case study three times. The 14 case studies were selected based on observation made at the measurement station SMEAR II during the time period between February and April 2014. The case studies were divided into two classes: cloud and aerosol cases and the general characteristics of the cloud and aerosol cases were compared to each other. The extent and location of the source areas between FLEXPART and Hysplit were compared to define to source areas of the particles. The effect of wet deposition in the FLEXPART simulations was studied by comparing two simulation types: with default and with modified wet deposition parameterizations. The results of the thesis suggest that the measurement altitude, i.e. the release altitude in backward in time simulation, has a significant effect on the source areas of particles. The results also indicates that in cloud cases the particles originate more wider area than in aerosol cases. In cloud cases most of the trajectories come from South or South-West whereas in the aerosol cases most of the trajectories come from North or North-West which indicates that the source area of the particles could be in the background causing different interesting observations. The results suggest that wet deposition has a major role both in the amount of the mass and in the source areas of the particles detected in SMEAR II (Hyytiälä, Finland), especially in low pressure and cyclone situations, i.e. in cloud cases. Also the result indicates that the amount of scavenged mass is much higher in-cloud than below-cloud.
  • Kentala, Joni (2016)
    Tutkin tässä työssä lentopaikkaennusteiden osuvuutta ja ennustettavuutta vuosien 2010 ja 2014 aikana, käyttäen hyväksi Ilmatieteen laitoksen verifiointimenetelmää. Lentopaikkaennusteilla on tärkeä rooli nykypäivän lentotoiminnassa. Ennusteiden verifioinnilla nähdään millä tasolla ennustettavuus on, ja se on myös hyvä työkalu ennusteiden kehittämisessä. Oma motivaationi tutkielmaan liittyy työhöni lentosäämeteorologina, ja myös omien ennustustaitojeni kehitykseen. Lentopaikkaennusteen kannalta hankalimmat ennustettavat sääsuureet ovat näkyvyys ja pilven korkeus, jotka ovat myös tutkmukseni keskipisteenä. Lentopaikkaennusteella ennustetaan näkyvyyttä, pilviryhmää (sisältää pilven korkeuden ja määrän), tuulta ja vallitsevaa säätä lentokentällä. Tutkimuksessa käytetty verifiointimenetelmä pisteyttää lentopaikkaennusteen sen perusteella, kuinka lähelle se osuu lentokentällä tehtyjä METAR-havaintoja. Verifiointituloksista nähtiin, että vallitsevaa säätä ja tuulioloja osataan ennustaa erinomaisesti jokaisena vuodenaikana. Pilviryhmän ja näkyvyyden osalta havaittiin hyvin samankaltainen vuodenaikaisvaihtelu. Kesäkuukausina kumpikin suure saavuttaa erinomaiset tulokset. Syksyllä kuitenkin verifiointitulokset alkavat laskea, ja talvikuukausina ennustettavuus on heikoimmillaan. Keväällä tulokset alkavat jälleen parantua, vastaten käänteisesti syksyn tilannetta. Samankaltaisesta käytöksestään huolimatta, pilviryhmän tulokset havaittiin hieman näkyvyyden tuloksia heikoimmiksi. Tähän syyksi paljastui näkyvyyden runsaampi määrä erinomaisia tuloksia, ja pilviryhmän runsaampi määrä keskinkertaisia tuloksia. Näkyvyyden ennustettavuus vaikuttaisi olevan suuremman osan ajasta hyvä, mutta karkeita ennustevirheitä tulee hieman enemmän kuin pilviryhmällä. Pilviryhmällä taas ennuste on useammin pitkiä aikoja hieman pielessä. Tutkimuksen perusteella ennustettavuutta voidaan parantaa mm. ennusteessa käytettävien muutosryhmien paremmalla hyödyntämisellä ja paikallisten olojen paremmalla tuntemuksella. Myöskään automaattisten havaintojen virheiden vaikutusta ennusteiden saamiin tuloksiin ei voida jättää huomiotta.
  • Fridlund, Christoffer (2016)
    Ion interaction with matter plays an important role in the modern silicon based micro- and nanoindustry. Ions accelerated to significant energies are able to penetrate into materials allowing for controlled tailoring of the materials' properties. However, it is extremely important to understand the nature of these interactions, and computer modelling is by far the most suitable technique for this purpose. The models used in ion irradiation software are either based on the binary collision approximation (BCA) or molecular dynamics (MD). The first mentioned is both the oldest and the most widely used one. There are three reasons for this: the simple idea, the fast calculation speeds, and the user-friendly graphical user interfaces distributed with the codes. However, there are still some pitfalls in accuracy compared to MD. MDRANGE, an ion range MD code, developed at the Accelerator Laboratory of the University of Helsinki, combines the accuracy of MD with the speed of the BCA. If the tool is given a graphical user interface, it would become more appealing to scientists not familiar with programming. Different methods and techniques for calculating the penetration depths and ranges of kinetic ions in solids are presented in this work. They are accompanied by an overview of the mathematics allowing them to be as physically accurate as possible, over reasonable computation times. For both BCA and MD, generally, the computationally most demanding part is the calculation of the interactions between two or more particles. These interactions are handled through evaluation of potential functions developed especially for different combinations of atoms. The graphical user interface developed in this work is meant as a robust setup tool for use with MDRANGE. The separation of parameters into different panels and the main functionality of the different parts are presented in detail. It is possible to generate the three mandatory input files (coords.in, elstop.in, and param.in) with the tool. Out of these three files, param.in is the file in main focus when the application is used. In addition to the generation of the three files, there are also functions included for investigating range calculation results in real time during simulations. During the last five decades, there has been a huge development of the simulation models intended for ion irradiation processes. Even though BCA models excel in speed, they are not able to compete with MD in simulating many-body interactions for atoms with kinetic energies lower than 1 keV. MDRANGE was developed as a bridge between the two models to allow for faster MD calculations, comparable to BCA calculations, while still taking into account the many-body interactions for ions with lower speeds. With the graphical user interface, developed in this work, it will become even more appealing to scientists not familiar with programming, but still in need of an ion range calculation software.
  • Valkonen, Elina (2016)
    Extratropical cyclones can have major impacts on our daily lives, and therefore any drastic changes in their frequency or characteristics, such as intensity or radius, can have a great impact on society. Extratropical cyclones do not only affect everyday weather, but can cause extreme weather events from floods to drought and are also largely in charge of the equator-to-pole energy, momentum and moisture transports. In the recent years, there has been an increasing amount of both numerical and observational studies to suggest a poleward shift of the storm tracks with the warming climate. This shift could have major impacts all around the world through weather extremes and climatic effects. Even though a vast amount of research has been done, a definite answer, as to how will the location of the storm track change in the near future, remains unanswered. This study aims to answer the question of how has the location of the North Atlantic storm track changed with the changing surface temperatures, with the focus on the effects of the sea surface temperatures. In this study the CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) reanalysis products from 1979-2014 was analysed. The cyclones were tracked based on the Laplacian of the surface pressure using the Melbourne University Cyclone Tracking Algorithm. First the differences between 1979-1988 and 2005-2014 for both surface temperature and extratropical cyclone track density, a measure of the storm track, were calculated and after that the correlation between ST and both track density and North Atlantic Oscillation (NAO) index were calculated for the whole study period, 1979-2014. All the above mentioned calculations were done separately for four seasons (DJF, MAM, JJA, SON) and also for two six month periods (Oct-Feb, Mar-Sep). The results show that the North Atlantic has warmed significantly, with the strongest warming taking place in the Arctic in winter. There were also clear changes in the cyclone frequecy, but these changes were not as spatially coherent as the changes in the surface temperature. In fall season a poleward shift of the storm track with time was observed. In general, the results incline that in winter the increasing STs would lead to more cyclones, whereas in summer the increasing STs would be related to fewer cyclones. The results also showed that changes in the ST gradient over the sea-ice margin region between Greenland and Svalbard, correlate positively with the track density. This was suggested to be due to changes in the low-level baroclinicity. The NAO was observed to correlate positively with the track density around Greenland and the Arctic Ocean, and negatively over Eurasia. The most clear observation was the seasonality of both relationships. Between ST and track density this seasonality was more spatially incoherent, and most likely depended on multiple mechanisms depending on location. The seasonality in the correlation between NAO and track density, on the other hand, was not as strong as between ST and track density, but was clearly more spatially coherent. A strong southeast-northwest shift in the influence area of the NAO from winter to summer was detected, and this was noticed to affect the ST track density correlations in Canada.
  • Hemmilä, Verner (2016)
    Ilmakehätutkimuksessa ilmanpaineliitäntäinen lentoaikamassaspektrometri nitraattivaraimella (NO3-CI-APiToF) on osoittautunut hyväksi instrumentiksi ilmakehän hivenkaasujen mittauksessa. Alustavat kokeet ovat osoittaneet sen soveltuvan myös räjähdysaineiden mittaamiseen vastaavina hivenpitoisuuksina. Tämän työn tavoite on osoittaa menetelmän käyttökelpoisuus realistisissa olosuhteissa eri räjähdysaineille. Lisäksi vertailtiin kolmea erilaista varauslaitekonfiguraatiota: ilmakehätutkimuksessa käytettyä sekä kahta erilaista yksinkertaistettua mallia. Lähestymistapa oli käytännönläheinen: eri räjähdysaineille määritettiin havaintorajat taustallisessa ja aikarajoitetussa mittauksessa. Havaintorajalla tarkoitetaan pienintä todellista pitoisuutta, mikä voidaan erottaa 95% varmuudella taustamittauksesta yhdellä 12 sekunnin mittauksella. Tutkitut räjähdysaineet 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triatsiini (RDX), pentaerytritolitetranitraatti (PETN), trinitrotolueeni (TNT), triasetonitriperoksidi (TATP) ja heksametyleenitriperoksididiamiini (HMTD) ovat kaikki voimakkaita yksikomponenttiräjähdysaineita, jotka edustavat erilaisia kemiallisia rakennetyyppejä. Näytekaasu tuotettiin kiinteästä räjähdysainepinnasta olettamalla kaasun saavuttavan tasapainohöyrynpaineen generaattorin matkalla. Aineet applikoitiin liuoksina teräksisen (RDX, PETN, TNT) tai polyeteenisen (TATP, HMTD) tukilangan päälle. Osa näytteistä ostettiin (PETN, TNT) ja osa syntetisoitiin (RDX, TATP, HMTD). Havaintorajat aineille olivat: RDX 80 ppq, PETN 98 ppq, TNT 84 ppt ja TATP 1,5 ppm. HMTD ei muodostanut havaittavia nitraattiaddukteja. Eri varauslaitteilla ei ollut merkittäviä eroja. Koska havaintorajan määritelmässä on jo otettu huomioon mittauksen satunnaisluonne, näille arvoille ei enää määritetty virherajoja. Tällainen virheraja olisi ns. ”virheen virhe”. Kaikki räjähdysaineet HMTD:tä lukuun ottamatta pystyttiin havaitsemaan murto-osassa niiden normaalista höyrynpaineesta huoneenlämmössä.
  • Marttinen, Tom-Henrik (2016)
    A model in mathematic logic is called pseudo-finite, in case it satisfies only such sentences of first-order predicate logic that have a finite model. Its main part modelled based on Jouko Väänänen's article "Pseudo- finite model theory", this text studies classic model theory restricted to pseudo-finite models. We provide a range of classic results expressed in pseudo-finite terms, while showing that a set of other well-known theorems fail when restricted to the pseudo-finite, unless modified substantially. The main finding remains that a major portion of the classic theory, including Compactness Theorem, Craig Interpolation Theorem and Lidström Theorem, holds in an analogical form in the pseudo-finite theory. The thesis begins by introducing the basic first-order model theory with the restriction to relational formulas. This purely technically motivated limitation doesn't exclude any substantial results or methods of the first-order theory, but it simplifiels many of the proofs. The introduction behind, the text moves on to present all the classic results that will later on be studied in terms of the pseudo-finite. To enable and ease this, we also provide some powerful tools, such as Ehrenfeucht-Fraïssé games. In the main part of the thesis we define pseudo-finiteness accurately and build a pseudo-finite model theory. We begin from easily adaptable results such as Compactness and Löwenheim-Skolem Theorems and move on to trickier ones, examplified by Craig Interpolation and Beth Definability. The section culminates to a Lidström Theorem, which is easy to formulate but hard to prove in pseudo-finite terms. The final chapter has two independent sections. The first one studies the requirements of a sentence for having a finite model, illustrates a construction of a finite model for a sentence that has one, and culminates into an exact finite model existence theorem. In the second one we define a class of models with a certain, island-like structure. We prove that the elements of this class are always pseudo-finite, and at the very end the text, we present a few examples of this class.
  • Ilkka, Ville (2016)
    Kiihtyvä muuttoliike maaseuduilta kaupunkeihin tulee lähivuosikymmeninä edelleen kasvattamaan tiiviisti rakennettuja kaupunkialueita. Rakennusten ja rakenteiden varastoiman lämpösäteilyn sekä osittain myös liikenteen ja teollisuuden tuottaman hukkalämmön vaikutuksesta kaupunkialueiden ympärille muodostuu lämpösaareke ja se havaitaan voimakkaimpana usein erityisesti yöaikaan. Voimistuessaan lämpösaarekkeilla on monia haitallisia ominaisuuksia. Kesäkuukausina tukahduttavat helteet yleistyvät ja lisääntyvän sähkönkulutukset myötä myös kiinteistöjen ylläpidon kustannukset kasvavat. Talvella lämpösaareke voi vaikeuttaa teiden kunnossapitoa ja kiihdyttää rakenteisiin ja tienpintoihin syntyviä routavaurioita. Kiihtyvän muuttoliikkeen myötä myös tiedon tarve kasvaa, jotta kaupunkilaisten elinympäristö voidaan säilytetään mahdollisimman miellyttävänä. Tässä työssä tutkittiin eri menetelmillä kaupunkien lämpösaarekeilmiötä voimistavaa ihmisperäisen lämpövuon sekä lämmön varastotermin käyttäytymistä Helsingin kantakaupungin alueella. Lämmön varastotermin käyttäytymistä tutkittiin energiataseyhtälön jäännösterminä sekä mallintamalla varastotermiä suoraan hystrereesimallin avulla. Työssä pyrittiin myös selvittämään, voidaanko lämmön varastotermin muutoksen suuruutta arvioida suoraan pintalämpötilahavaintojen avulla. Ihmisperäisen lämpövuon käyttäytymistä mallinnettiin LUCY-mallin sekä yksinkertaisen viilennys- ja lämmitystarvelukuihin perustuvan HDD/CDD-mallin avulla. Työssä tarkasteltiin lisäksi mallien suorituskykyjä sekä eri menetelmillä saatujen tulosten eroja. Ihmisperäisen lämmön vuota mallinnettaessa havaittiin, kuinka sekä LUCY- että HDD/CDD-malli tuottivat samoilla lämpötilan kynnysarvoilla varsin samankaltaisia tuloksia. Keskikesällä arvot vaihtelivat pääosin välillä 25-30 Wm-2, keskitalvella välillä 40-50 Wm-2. Tulosten pohjalta HDD/CDD-malli voi jatkossa olla monessa tilanteessa yksinkertaisuutensa vuoksi helpompi menetelmä mallintaa ihmisperäisen lämpövuon käyttäytymistä. Lämmön varastotermin tapauksessa havaittiin, että myös hystereesimalli tuottaa etenkin kesäkuukausien aikana muiden menetelmien avulla laskettujen arvojen kanssa hyvin samankaltaisia tuloksia. Talvella heikentyneen säteilypakotteen havaittiin hävittävän tuloksista lyhytaikaisen vaihtelun, mutta keskiarvoistetut tulokset olivat yhä hyvin linjassa muiden menetelmien tulosten kanssa. Lämmön varastotermin käyttäytymistä tarkisteltiin myös suoraan energiataseyhtälön avulla olettamalla ihmisperäinen lämmön vuo merkitykkettömän pieneksi. Nyt käytetty yksinkertaistus havaittiin kuitenkin tuloksista selvästi, talvella residuaalimenetelmällä lasketut varastotermin arvot olivat noin 50 ja kesällä noin 25 Wm-2 pienempiä kuin muilla menetelmillä saadut tulokset. Sekä hystereesimalli että residuaalimenetelmä vaikuttivat tulosten perusteella toimivalta tavalta mallintaa varastotermin käyttäytymistä. Pintalämpötilojen avulla lasketut varastotermin arvot eivät kuitenkaan näyttäneet olevan vertailukelpoisia muiden menetelmien tulosten rinnalla. Mallin havaittiin olevan hyvin herkkä muutoksille käytettyjen vakioiden arvoissa ja niiden tarkkojen arvojen määrittäminen osoittauitui hyvin haastavaksi.
  • Martikainen, Kaisa (2016)
    Tutkimuskohteena on Salon kaupungissa sijaitseva Aijalan vanha kaivos, joka on ollut tunnettu sulfidimalmeistaan jo 1600-luvulta lähtien. Kaivos oli toiminnassa vuosina 1949-1958. Kaivoksella on käsitelty myös läheisen Metsämontun Zn-Pb-malmeja (v.1951-1958, v.1964-1974) sekä Telkkälän Ni-Cumalmeja (v.1969-1970), joiden jätteet sijoitettiin samalle rikastushiekka-alueelle Aijalan jätteiden kanssa. Aijalan kaivoksen rikastushiekka-alue kuormittaa tällä hetkellä ympäristöä hallitsemattomasti hyvin voimakkaasti metallipitoisilla vesillä (mm. Fe, Zn, Cu, Pb) Aikolanlahteen sekä Kiskonjokeen, joka luokitellaan Natura-alueeksi. Rikastushiekka-aluetta ei ole jälkihoidettu kunnolla, minkä johdosta alueella muodostuvat sekä alueen läpi virtaavat pinta- ja pohjavedet happamoituvat voimakkaasti. Kuormittumista on tutkittu useaan otteeseen, mutta kunnostustoimiin alueella ei ole ryhdytty. Tarkoituksena oli saada tietoa rikastushiekka-alueelta tulevasta metallikuormituksesta alueen vesiin, ja mikä kuormitus tulee mahdollisesti olemaan tulevaisuudessa. Aiempien tutkimusten perusteella alueelle suunniteltiin vesinäytteenotto. Aijalan alueelle luotiin myös ArcGis-ohjelmalla pintavesien virtausmalli, jonka pohjalta tulkittiin alueen osavaluma-alueet. Merkittävin havainto oli, että Koskossuolta tulee suuri pintavalunta rikastushiekka-alueelle. Kiskonjokeen rikastushiekka-alueelta laskevan puron ja sen sivuhaarojen kautta tulee valuntaa noin 790 000 m3 vuodessa ja Aikolanlahteen noin 170 000 m3 vuodessa. Kiskonjokea kuormittavista metalleista lyijy ja kupari muodostavat suurimman riskin. Kuparikuormitus Kiskonjokeen on noin 35 kg vuodessa ja lyijykuormitus noin 1 kg vuodessa. Kuormittavien metallien pitoisuudet Kiskonjokeen laskevassa purossa ovat laskeneet viimeisen 30 vuoden aikana, mikä todennäköisesti johtuu valuntamäärien lisääntymisestä alueella. Aikolanlahteen ei kohdistu merkittävää metallikuormitusta. Tärkein havainto oli, että länsimalmin kaivoskuilusta todennäköisesti pääsee purkautumaan hyvin metallipitoista pohjavettä maanpinnalle. Metallikuormitus alueella tulee jatkumaan alueella satoja vuosia. Vaikka kuormitus ei ole merkittävän suuri, tulisi alueelle laatia päivitetty kunnostussuunnitelma. Rikastushiekka-alue tulisi peittää ja suolta tulevan luontaisen valunnan pääsy rikastushiekka-alueelle tulisi estää. Myös länsimalmin kaivoskuiluista tapahtuvaa pohjaveden purkautumista tulisi tutkia enemmän.