Browsing by department "Department of Physics"
Now showing items 81-100 of 372
-
(2013)Porous structures, such as foams make excellent thermal insulators. This happens because thermal transfer by conduction is hindered by the voids in the material. However, heat can still radiate through the material or just past the voids. Due to Stefan-Boltzmann law, heat transfer by radiation can be especially significant for large temperatures, and it follows that thermal transfer models that account for radiation may be necessary in some cases. Several existing models for radiative thermal transfer in porous materials, such as continuum models and Monte Carlo, have been used in the past. What many of these models tend to have in common, is that they are highly specific to the systems they were originally made for and require some rather limiting approximations. A more general method which would only require knowing the material and the geometry of the system would be useful. One candidate for such a method, discrete dipole approximation for periodic structures, was tested. In the discrete dipole approximation a structure is discretized into a collection of polarizable points, or dipoles and an incoming electromagnetic planewave is set to polarize it. This has the benefits that it accurately takes into account the target geometry and possible near field effects. It was found that this method is limited for high wavelength, by computation time and for small wavelengths by errors. The cause of the errors for small wavelengths was not entirely caused by the discretization and remains not fully understood.
-
(2015)The presence of dislocations in metal crystals accounts for the plasticity of metals. These dislocations do not nucleate spontaneously, but require favorable conditions. These conditions include, but are not limited to, a high temperature, external stress, and an interface such as a grain boundary or a surface. The slip of dislocations leads to steps forming on the surface, as atomic planes are displaced along a line. If a void is placed very near a surface, the possibility of forming a dislocation platelet exists. The skip of the dislocation platelet would displace the surface atoms within a closed line. Repeating such a process may form a small protrusion on the surface. In this thesis, the mechanism with which a dislocations displace the surface atoms within a closed loop is studied by using molecular dynamics (MD) simulations of copper. A spherical void is placed within the lattice, and the lattice is then subjected to an external stress. The dislocation reactions which lead to the formation of the dislocation platelet after the initial dislocation nucleation on the void is studied by running MD simulations of a void with the radius of 3 nm under tensile stress. Since the dislocations are thermally activated, the simulation proceeded differently for each run. We describe the different ways the dislocations nucleate, and the dislocation reactions that occur when they intersect to form the platelet. The activation energy of this process was studied by simulating half of a much larger void, with a radius of 8 nm, in order to obtain a more realistic nucleation environment. Formulas connecting the observable and controllable simulation variables with the energies of the nucleation are derived. The activation energies are then calculated and compared with values from literature.
-
(Helsingin yliopistoHelsingfors universitetUniversity of Helsinki, 2016)The objective of this master s thesis was to better understand the impact of black carbon and its distribution in Northern Europe and the Arctic. To achieve the goal of the project, information on the observations relevant to black carbon (BC) pollution in Arctic dataset was collected. For the observational data all main BC measurement campaigns along with active satellite operations were collected. In this study, the BC concentration and deposition was estimated by the System Integrated Modelling of Atmospheric coMposition - a chemical transport model (CTM) SILAM. The model was driven with monitoring atmospheric composition and climate (MACCity), emission database for global atmospheric research hemispheric transport of air pollution (EDGAR-HTAP), and evaluating the climate and air quality impacts of short lived pollutants (ECLIPSE) emission inventories. For the computations, the year 2010 was chosen because of a better availability of data during that year. In the literature section, black carbon process in the atmosphere is explained along with its properties and characteristics. Furthermore, data description and data analysis is included which is followed by interpretation of model output on the seasonal deposition and concentration. As shown by the model-measurement comparison, the model basically captured the measured BC and organic carbon (OC) quite well for all emission inventories. However, the correlation coefficient for OC was still weak for most of the stations in Europe. The overall performance of BC for European stations is substantially better than in the Arctic areas. Deposition for BC and OC shows that the seasonal transport of BC from source regions is evident in the Arctic and near Arctic areas. Patterns of dry deposition is higher in winter period than in summer period. The SILAM model suggests winter period concentration of BC by MACCity and ECLIPSE inventory of 0.23 µg/m3 and 0.26 µg/m3 respectively for year 2010. This study provides a best performing setup for BC modeling , transport and deposition of BC in the Northern Europe and the Arctic despite the absence of ageing process. More observational data from Arctic stations would provide better result and model performance. Finally, the study gives an insight of the quality of existing emission inventories and the capabilities of reproducing seasonal deposition and concentration of BC to the Arctic.
-
(2018)Differentiaaliliikkuvuusspektrometri (Differential Mobility Particle Sizer; DMPS) -laitteistoa voidaan käyttää ilmakehän aerosolihiukkasten lukumääräkokojakauman mittaamiseen. DMPS-laitteisto koostuu impaktorista, kuivaajasta, bipolaarisesta diffuusiovaraajasta, differentiaaliliikkuvuusanalysaattorista (Differential Mobility Analyzer; DMA) ja kondensaatio- hiukkaslaskurista (Condensation Particle Counter; CPC). Tässä työssä verrataan DMPS-laitteistossa rinnakkain mittaavan muokatun A20 CPC:n ja TSI 3776 CPC:n laskentastatistiikkaa. Pienimmillä aerosolihiukkasilla on vaikutus ympäristöön ja terveyteen, minkä takia on kasvava tarve mitata tarkasti myös pienimpien hiukkasten kokojakaumaa. Aerosolihiukkasten lukumääräkokojakaumaan ja siitä johdettavien suureiden epävarmuuksia ei kuitenkaan tunneta vielä täysin. Työssä pyritään parantamaan perinteisen CPC:n laskentastatistiikkaa ja tutkimaan lukumääräkokojakauman sekä siitä johdettavien suureiden, kuten muodostumisnopeuden (Formation Rate; J) ja kasvunopeuden (Growth Rate; GR), epävarmuuksia. Perinteinen, ilman suojavirtausta toimiva, CPC voidaan muokata havaitsemaan jopa alle 3 nm hiukkasia kasvattamalla lämpötilaeroa saturaattorin ja kondenserin välillä ja muuttamalla aerosolivirtausta. Tässä työssä A20 CPC:n aerosolivirtaus optiikan läpi kasvatettiin 2.5 litraan minuutissa diffuusiosta johtuvien häviöiden minimoimiseksi ja laskentastatistiikan parantamiseksi. Verrattuna TSI 3776 CPC:hen muokatulla A20 CPC:llä on 50 kertaa suurempi aerosolivirtaus, joten voimme olettaa, että muokattu A20 mittaa TSI 3776 UCPC:hen verrattuna enemmän hiukkasia pienemmällä epävarmuudella. Muokatulla A20 CPC:llä on parempi laskentastatistiikka, jonka ansiosta kokojakauman laskennasta johtuva suhteellinen virhe on pienempi. Muokatulla A20 CPC:llä on TSI 3776 CPC:hen verrattuna 50 kertaa suurempi aerosolivirtaus ja se laskee keskimäärin 50 kertaa enemmän hiukkasia koko DMPS-laitteiston mittaamalla kokoalueella (1-40 nm). Muokatulla A20 CPC:llä laskettu GR on noin 60% suurempi pienimmillä (3-6 nm) hiukkasilla ja noin 3% suurempi 6-11 nm hiukkasilla. Myös J on noin 30% suurempi muokatulla A20 CPC:llä laskettuna 3-6 nm hiukkasille. CPC:n laskennasta johtuva epävarmuus on syytä huomioitava määritettäessä DMPS-mittauksen kokonaisvirhettä. Laskentastatistiikalla on merkitystä paitsi lukumääräkokojakaumaan, myös sen johdannaissuureisiin.
-
(2013)Työssä selvitettiin ei-luonnontieteellisten aineiden opettajien ajatuksia ja suhtautumista fysiikkaan ja fysiikan opettajiin. Samalla tutkittiin heidän asennettaan fysiikan ja heidän oman oppiaineensa väliseen integraatioon. Tutkimuksen aineistona käytettiin opiskelijoiden Fysiikan perusteet -kurssilla harjoitustehtävänä tehtyjä haastatteluja sekä täydennyskoulutettujen opettajien tekemiä vastaavia haastatteluja. Tutkimuksessa käytetyt opiskelijoiden tekemät haastattelut ovat vuosilta 1989-1997. Täydennyskoulutettujen opettajien haastattelut ovat vuosilta 1996-1997. Tutkimuksessa käytetään opiskelijoiden tekemistä haastatteluista nimitystä aineisto 1 ja täydennyskoulutettujen opettajien tekemistä haastatteluista nimitystä aineisto 2. Haastatteluista suurin osa oli tehty taito- ja taideaineiden opettajille (39 %) sekä reaaliaineiden opettajille (38 %). Kielten opettajien haastatteluja oli 22 % aineistosta. Yksittäisistä aineista eniten haastatteluja oli tehty kotitalousopettajille, historian ja uskonnon opettajille. Muiden aineiden opettajien haastattelut jakautuivat tasaisemmin. Yleisesti ottaen ajatukseen oman oppiaineen ja fysiikan välisestä integraatiosta haastateltavat suhtautuivat myönteisesti. Aineisto 2 suhtautui integraatioon myönteisemmin kuin aineisto 1. Koko aineistossa myönteisintä suhtautuminen oli reaaliaineiden opettajien keskuudessa. Myös taito- ja taideaineiden opettajien enemmistö suhtautui myönteisesti integraatioon. Kielteisintä suhtautuminen integraatioon oli kielten opettajien keskuudessa. Reaaliaineiden opettajista historian ja uskonnon opettajat suhtautuivat myönteisimmin ainerajat ylittävään yhteistyöhön fysiikan kanssa. Taito- ja taideaineissa myönteisintä asennetta osoittivat kotitalouden ja kuvaamataidon opettajat. Kielten opettajista äidinkielen opettajat suhtautuivat ajatukseen integraatiosta myönteisimmin ja selkeästi kielteisin asenne oli ruotsin opettajilla.
-
(2018)Since the inception of the AdS/CFT correspondence in 1997 there has been great interest in the holographic description of quantum gravity in terms of conformal field theory. Studying how classical gravity emerges in this framework helps us to understand the quantum foundations of general relativity. A fundamental concept is entanglement entropy which has a classical interpretation in terms of areas of minimal surfaces in general relativity, due to Ryu and Takayanagi. This thesis is a review on how Einstein's equations can be derived up to second order from the Ryu-Takayanagi formula in the context of AdS/CFT correspondence. It also serves as an introduction to entanglement entropy in quantum field theories and holography, while providing necessary mathematical ingredients to understand the derivation. We also review a related derivation, based on the entanglement equilibrium hypothesis, and discuss its extensions to higher order theories of gravity.
-
(2018)In this thesis the transport properties of the superconducting quantum wires are discussed. At first the general introduction to quasi-one-dimensional mesoscopic systems is given. Due to the spatial confinement of transported particles in directions vertical to their motion, there are possibly many discrete transverse modes along the wire. The number of these modes depends on the width of the wire. According to the familiar Ohm's law, the conductance along the wire has linear dependence on the width of the wire. However, when the size of the system is sufficiently small, there exist quantum corrections to this behaviour. The leading order quantum corrections to the Ohm's law are the weak localization and universal conductance fluctuations. These quantum corrections can be determined by calculating the first two conductance cumulants along the wire. In addition, there emerges terms in these cumulants, which depend nonanalytically on the wire length. In this thesis we calculate all these terms by using the diffusion type equation, Dorokhov-Mello-Pereyra-Kumar (DMPK) equation. We calculate also the analytical components of the first 15 current cumulants through the system.
-
(2012)Kasvavan kaupungistumisen johdosta kaupunki-ilmaston tutkiminen on kasvanut selvästi viimeisten vuosikymmenien aikana. Yleisimmin tunnettu kaupungistumisen aiheuttama ilmiö on lämpösaarekeilmiö, jossa yöaikaan kaupungin ilmanlämpötila pysyttelee selvästi ympäröiviä maaseutuja korkeammalla. Tämä ja monet muut kaupungissa koetut ilmiöt ovat ihmisen aiheuttamia ja siksi on tärkeää selvittää, miten kasvava kaupungistuminen tulee jatkossa vaikuttamaan meidän jokapäiväiseen elämään, terveyteen ja ympäristöömme. Helsingin Kumpulassa sijaitseva SMEAR III (Station for Measuring Ecosystem-Atmosphere Relationships) kaupunkimittausasema sai syyskuussa 2010 uuden mittauspisteen Helsingin keskustaan Hotelli Tornin huipulle, missä mitataan mm. turbulenttista latentin ja havaittavan lämmön vuota. Tässä tutkielmassa tarkastellaan kaupunkialueen energiatasapainoa Helsingin keskustassa Tornissa tehtävien mittauksien avulla, sekä perehdytään energiatasapainon mallintamiseen yhdellä maailman pohjoisimmista kaupunkimittausasemista. Tutkielmassa käytetään mittauksia, jotka kattavat kokonaisen vuoden marraskuusta 2010 lokakuuhun 2011. Mitattuja lämmön turbulenttisia voita verrataan Surface Urban Energy and Water Balance Scheme -mallilla (SUEWS) mallinnettuihin voihin. Tarkoitus on selvittää sitä, kuinka hyvin malli toimii Helsingin keskustan hyvin tiheään rakennetulla kaupunkialueella. SUEWS:n lisäksi työssä käytetään Kormannin ja Meixnerin lähdealuemallia, jolla saadaan lasketuksi arvio mitattujen voiden lähdealueista. Saatujen tuloksien mukaan Helsingin keskustassa havaittavan lämmön vuo on monta kertaa latentin lämmön vuota suurempaa. Mallinnettaessa energiatasapainon komponentteja SUEWS-mallilla havaittavan lämmön vuon arvot olivat melko lähellä mitattuja arvoja, mutta latentin lämmön vuon tapauksessa mallinnetut arvot olivat liian pieniä. Ongelmia aiheutti saatavilla olevan energian ja kosteuden liian vähäinen määrä, jotka johtuivat mm. mallinnuksessa käytetystä liian suuresta albedosta ja maankäytön aineiston karkeasta resoluutiosta. Antropogeenisen lämmön vuon määrä Helsingissä oli mallinnuksen mukaan noin 20-50 W m-2:llä, joka vastaa lauhkean vyöhykkeen kaupunkien keskiarvoja. Varastotermin käyttäytyminen oli oikeanlaista, jossa päivällä energiaa sitoutuu rakenteisiin ja yöllä sitä vapautuu ilmaan turbulenttisina voina. Yhteenlasketut energian lähdetermit eivät kuitenkaan olleet tarpeeksi isoja, joka kävi hyvin selväksi energiatasapainosuhteen avulla tehdystä vertailusta, jossa suhteeksi saatiin 1,26.
-
(2017)Geothermal energy is a growing industry and with Enhanced Geothermal System (EGS) technology it is possible to utilize geothermal energy in low heat flow areas. The ongoing EGS project in Southern Finland provides a great opportunity to learn and explore EGS technologies in a complex environment: hard crystalline rock, high pressure and low hydraulic permeability. This work describes physics behind an EGS plant, as well as basic concept of EGS, give examples of some existing plants and make calculations of how much power a plant in Finland can produce. In order to plan and build a successful plant, suitable parameters for the system are determined by modelling. The modelling is done analytically and numerically. Physical properties governing the EGS models are conductive and convective heat transfer and rock hydraulic properties that allow fluid flow. Hydraulic permeability is discussed in detail, because it is the key parameter in EGS: rock is stimulated in order to enhance permeability in order to make fluid flow possible through interconnected fractures. It is a spatially correlated parameter and it is distributed lognormally making fluid flow highly channelled. Modelling of heat and mass transfer aims to parametrize an EGS plant in the conditions of Southern Finland. The parameters governing heat transfer with fluid flowing in the geothermal reservoir are size of the reservoir and fluid velocity, which depends on matrix permeability. The larger the reservoir the more hot contact area fluid encounters and the better it heats up, the slower the flow, the longer time fluid stays in the reservoir and therefore heats up more. High flow rates cool the reservoir rapidly. However, a large reservoir is difficult to achieve, maintaining enhanced permeability requires relatively high fluid flow rates and the higher the flow rate, the more power the plant produces, so slow flow is not economically feasible. Analytical models are done with Matlab and numerical models are done with finite-element software COMSOL Multiphysics. Numerical models benchmark the analytical solutions and use spatially correlated permeability to modify fluid flow pattern and see how temperature in the reservoir changes with changes in fluid flow. The results show that creating large reservoir that could operate for 20 years with desired power production is unrealistic. Total output fluid flow required to produce over 1 MW of power is 10 kg/s. At such rate there is a risk that the reservoir cools and output fluid temperature is not sufficient for power production. In case of heterogeneous permeability connectivity of the reservoir is not as good as in case of homogeneous permeability and there is a risk that total fluid flow in the reservoir is slower and therefore less power produced.
-
(2014)Kärnkraftsproducenterna TVO och Fortum har beslutit att deponera kärnavfall i berggrunden i Olkiluoto. Kärnavfallet kommer att placeras i kopparkanistrar, vilka omringas av en buffert bestående av leran bentonit. Buffertens uppgifter är extremt viktiga för slutförvaringens säkerhet, då bufferten skall skydda kanistrarna från externa kontaminanter och seismiska rörelser samt hindra transporten av radioaktivt material. Bentonitens viktigaste komponent är lermineralen montmorillonit. Montmorillonit består av skivor vilka är en nm tjocka och flera hundratals nm breda. Dessa skivor bildar olika strukturer. I detta arbete studerades montmorillonitpartiklarnas former, samt deras andelar, i kolloidala lösningar. Som lösningsämnen användes olika natrium- och kalciumlösningar, vilka motsvarar möjliga omständigheter i berggrunden i Olkiluoto. Lösningarna studerades med lågvinkelröntgenspridning (SAXS) samt med anpassningar av en teoretisk modell utvecklad av Pizzey et al (2009). Med hjälp av dessa kunde partikelstorlekarna, samt andelarna av de olika partiklarna, bestämmas för varje lösning. I alla lösningar påträffades enskilda bentonitskivor samt bentonitskivor i staplar, d.v.s. varierande lager av bentonit och lösning. Stapelstorlekarna, samt deras andelar, berodde på lösningen. I kalciumlösningarna bildades stora, kompakta staplar. Avståndet mellan skivorna var i dessa c. 1 nm och staplarna kunde bestå av över 10 skivor. Andelen av dessa staplar ökade klart med kalciumkoncentrationen. I natriumlösningarna uppstod staplar bestående endast av två skivor. Avståndet mellan skivorna varierade mellan 6-10 nm beroende på natriumkoncentrationen. I blandningar av både kalcium- och natriumlösningar dominerades växelverkan mellan skivorna av kalciumjonerna, d.v.s. stapelstrukturerna bestod till största delen av den kompaktare strukturen.
-
(2016)Naturally occurring snowflakes represent a variety of shapes, sizes, fall velocities and degrees of riming, which makes their representation challenging in numerical models and remote sensing retrievals. In this study measurements collected during winters 2013/2014 and 2014/2015 at the University of Helsinki measurement station in Hyytiälä are used to investigate connections between ensemble mean snow density, particle fall velocity and parameters of the particle size distribution (PSD). A new generation video imager, the Particle Imaging Package (PIP), was employed for this study. The simple open structure, robust design, easy maintenance and low cost of the instrument make it attractive for studying winter precipitation microphysics. The density of snow is derived from measurements of particle fall velocity and PSD, provided by the PIP, and weighing gauge measurements of liquid water equivalent precipitation rate. Validity of the retrieved density values is checked against snow depth measurements. The results show that a single camera video imager such as the PIP can succesfully be utilized for such studies. A relation retrieved for the ensemble mean snow density and median volume diameter is in general agreement with previous studies, but it is observed to vary significantly from one winter to the other. From these observations, characteristic mass-dimensional relations of snow are retrieved. For snow rates more than 0.2 mm/h, a correlation between the intercept parameter of normalized gamma PSD and median volume diameter was observed.
-
(Helsingin yliopistoHelsingfors universitetUniversity of Helsinki, 2009)Cellulose can be used as a renewable raw material for energy production. The utilization requires degradation of cellulose into glucose, which can be done with the aid of enzymatic hydrolysis. In this thesis, various x-ray methods were used to characterize sub-micrometer changes in microcrystalline cellulose during enzymatic hydrolysis to clarify the process and factors slowering it. The methods included wide-angle x-ray scattering (WAXS), small-angle x-ray scattering (SAXS) and x-ray microtomography. In addition, the samples were studied with transmission electron microscopy (TEM). The studied samples were hydrolyzed by enzymes of the Trichoderma reesei species for 6, 24, and 75 hours, which corresponded to 31 %, 58 %, and 68 % degrees of hydrolysis, respectively. Freeze-dried hydrolysis residues were measured with WAXS, SAXS and microtomography, whereas some of them were re-wetted for the wet SAXS and TEM measurements. The microtomography measurements showed a clear decrease in particle size in scale of tens of micrometers. In all the TEM pictures similar cylindrical and partly ramified structures were observed, independent of the hydrolysis time. The SAXS results were ambiguous and partly imprecise, but showed a change in the structure of wet samples in scale of 10-30 nm. According to the WAXS results, the degrees of crystallinity and the crystal sizes remained the same. The gained results support the assumption, that the cellulosic particles are hydrolyzed mostly on their surface, since the enzymes are unable to penetrate into the nanopores of wet cellulose. The hydrolysis therefore proceeds quickly in easily accessible particles and leaves the unaccesible particles almost untouched. The structural changes observed in the SAXS measurements might correspond to slight loosening of the microfibril aggregates, which was seen only in the wet samples because of their different pore structure.
-
(2013)Tässä tutkielmassa tarkastelemme kosmista inflaatiota, jolla tarkoitetaan lyhyttä kiihtyvän laajenemisen ajanjaksoa varhaisessa maailmankaikkeudessa. Inflaatiosta on viimeisen 20 vuoden aikana muodostunut vallitseva paradigma maailmankaikkeuden rakenteiden synnyn selittäjänä. Kosmisen inflaation uskotaan saaneen alkunsa ja myös päättyneen inflatoniksi nimetyn skalaarikentän energiatiheyden vaikutuksesta. Tarkastelemme tilannetta, jossa inflaation jälkeen inflatonikenttä hajosi säteilyksi tuottaen tilanteen, jossa kaksi ainekomponenttia, säteily ja inflaation aikana energiatiheydeltään pienenä pysytellyt toinen skalaarikenttä, kurvatoni, alkoivat kilpailla maailmankaikkeuden energiatiheysbudjetista. Kurvatonin kasvattaessa energiatiheyttään suhteessa säteilyyn syntyi tilanne, jossa aika-avaruuteen alkoi syntyä alati kasvavia kaarevuusperturbaatioita. Tämä johti maailmankaikkeuteen muodostuvien tiheyserojen kasvuun, jolloin aine romahti kasaan ja muodosti paikallisesti gravitaation sitoman systeemin. Näin perturbaatiot alkoivat synnyttää maailmankaikkeuden suuren skaalan rakennetta ja jättivät jälkensä myös aineen ja säteilyn irtikytkeytyessä syntyneeseen kosmiseen mikroaaltotaustasäteilyyn. Tässä tutkielmassa kuitenkin paneudumme inflaation aikana ja välittömästi sen jälkeen syntyneiden kaarevuusperturbaatioiden syntymekanismeihin pikemmin kuin niiden dynamiikkaan ja vaikutuksiin myöhemmässä maailmankaikkeudessa. Usein syntyneiden kaarevuusperturbaatioiden jakauma eroaa gaussisesta tapauksesta. Yksinkertaisimmassa tapauksessa epägaussista jakaumaa karakterisoidaan ensimmäisen ja toisen kertaluvun epälineaarisuusparametrein, joilla saattaa olla näkyvät seurauksensa paitsi kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä havaittavissa lämpötilavaihteluissa, myös suuren skaalan rakenteessa. Eri inflaatiomallien kannalta syntyvän epägaussisuuden määrä on olennainen malleja erottava tekijä. Laajennamme tarkastelumme toiseen kertalukuun, sillä tietyn tyyppisessä kurvatonimallissa tämä voi karakterisoida syntyvän epägaussisuuden määrää paremmin kuin ensimmäisen asteen epägaussisuus. Tutkielmassa käymme läpi inflaatioskenaarion teoreettisen perustan, esittelemme kurvatonimallin ja sen päätulokset kosmologista perturbaatioteoriaa käyttäen, tarkastelemme yksityiskohtaisesti gaussisuutta ja epägaussisuutta, johdamme delta-N-formalismia hyväksikäyttäen yhtälöt kaarevuusperturbaation lausekkeessa esiintyville ensimmäisen ja toisen kertaluvun epälineaarisuusparametreille, sekä tarkastelemme kurvatonimallin tuottamaa ensimmäisen ja toisen asteen epägaussisuutta tapauksessa, jossa kurvatonikentän potentiaali ei ole pelkästään kvadraattista muotoa, vaan sisältää myös pieniä itseisvuorovaikutuksia.
-
(2015)Interactions and mergers play important roles in the evolution of galaxies. In this Master's thesis I have studied some basic properties of merging galaxies using numerical simulations. I have created initial conditions for equal-mass disk galaxy mergers and run the simulations using the numerical simulation codes GADGET-3 and its recently updated version SPHGal. In this Thesis I have also reviewed the basic physics modeled by GADGET-3 and the differences between the astrophysical subresolution models in the standard GADGET-3 and SPHGal versions of the code. The aim of the Thesis was to see how different initial conditions affect the mergers of disk galaxies, and how the updated astrophysics affect the properties of the mergers. The simulations were run on the supercomputer Sisu and the supercluster Taito at CSC, the Finnish IT Center for Science. From the results of the simulations I have studied the effect of having a dark matter halo with either an NFW density profile or a Hernquist density profile. Four observed mergers were succesfully reproduced with NFW profiles using position and velocity maps, and then compared to their Hernquist profile analogues. By comparing the results of the mergers between galaxies with the two types of haloes, I found that the steeper gravitational potentials of the NFW haloes produced more prominent tidal tails than the Hernquist haloes. The more compact morphology of the disks within the Hernquist haloes before the final coalescence enabled also faster coalescence times in the Hernquist halo mergers. As expected, the NFW halo mergers experienced slower orbital decay, were more violent, experienced higher star formation rates and produced thus 2-17% more new stars than the Hernquist halo mergers. In the Thesis I have also studied the effect of the updated subresolution models on the star formation process in the merging galaxies. The star formation in the standard GADGET-3 is self-regulated, whereas the star formation in SPHGal is regulated by detailed feedback processes. The star formation rates vary both spatially and on much shorter time scales in the SPHGal compared to the analogous simulations with the standard GADGET-3. I analyzed also the metal yields in the merger remnants of the Antennae galaxies, and found a metallicity gradient within the inner 2 kpc from the center of mass of the remnant. A gradient was also present in the oxygen abundance of the remnants, following the fact that the metallicity was dominated by the abundance of oxygen. Gradients in the inner regions of the merger remnants are to be expected, since star formation is most active in the central regions of the remnant.
-
(2016)Aerosolihiukkaset vaikuttavat maapallon ilmastoon pääosin viilentävästi. Niiden syntyprosessit ovat kuitenkin vielä osittain hämärän peitossa. Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden hapetustuotteiden tiedetään vaikuttavan hiukkasten kasvuun ilmaston kannalta merkityksellisen kokoisiksi. On myös mahdollista että jotkut hapetustuotteista voivat muodostaa kokonaan uusia hiukkasia. Hapetustuotteista tehokkaimpia hiukkasten muodostuksessa ovat niin sanotut erittäin heikosti haihtuvat orgaaniset yhdisteet, eli ELVOC-yhdisteet. Niiden muodostuminen on havaittu vasta hiljattain, mutta ne ovat hyvin tärkeässä roolissa hiukkasten muodostuksen kannalta. ELVOC-yhdisteitä syntyy muun muassa monoterpeenien, kuten alfa-pineenin, hapetuksessa. Niiden oletetaan syntyvät hapetusreaktioissa muodostuvien RO2-radikaalien itsehapetuksen tuloksena. Näin ollen yhdisteiden syntyyn vaikuttaa se, miten RO2-radikaalit terminoituvat ja muodostavat suljetun kuoren yhdisteitä. Pyrin tutkielmassani selvittämään, miten eri hapettimet ja RO2-radikaalien terminaatiotavat vaikuttavat ELVOC-yhdisteiden muodostukseen. Mittasin ELVOC-muodostusta PNNL:n ympäristökammiossa nitraatti-CI-APi-TOF-massaspektrometrillä. Tutkin eri olosuhteissa muodostuneista ELVOC-monomeereistä ja -dimeereistä mitattua signaalia. Tämän lisäksi analysoin monomeerispektrejä tarkemmin, tutkien muun muassa tuotteiden hapetuksen tasoa. Kokeissa havaitsin, että otsonihapetus synnyttää odotetusti ELVOC-yhdisteitä OH-hapetusta tehokkaammin. Kammiossa syntyi huomattava määrä suhteellisen vähän hapettuneita tuotteita, joita ei olla havaittu aiemmissa kammiokokeissa. Niitä on kuitenkin havaittu kenttämittauksissa, ja ne syntyvät luultavasti HO2-radikaalien terminoidessa RO2-radikaalit ennen kuin ne saavuttavat korkean happi-hiili-suhteen. Näin HO2-radikaali voisi vähentää hyvin hapettuneiden yhdisteiden tuottoa. ELVOC-yhdisteet vaikuttivat hapettuvan pidemmälle, kun kammioon lisättiin typen oksideja. ELVOC-dimeerien muodostus myös väheni odotettua vähemmän typen oksidien vaikutuksesta. Voikin olla, että pieninä pitoisuuksina NO-radikaalit RO2-radikaalien terminoimisen sijasta muodostavat niistä RO-radikaaleja ja tätä kautta edistävät niiden hapetusta. Kokonaisuutena tutkimus onnistui tavoitteissaan. Havaituista hapetustuotteista valtaosan synty kyettiin selittämään aiemmassa tutkimuksessa kuvatuilla mekanismeilla. Joidenkin tuotteiden syntytapa jäi kuitenkin mysteeriksi. Näin ollen myös jatkotutkimukselle jäi paljon tilaa.
-
Evaluation of thunderstorm predictors in Finland from ECMWF reanalyses and lightning location data (2015)While numerical weather forecasts have improved dramatically in recent decades, forecasting severe weather events remains a great challenge due to models being unable to resolve convection explicitly. Forecasters commonly utilize large-scale convective parameters derived from atmospheric soundings to assess whether the atmosphere has the potential to develop convective storms. These parameters are able to describe the environments in which thunderstorms occur but relate to actual thunderstorm events only probabilistically. Roine (2001) used atmospheric soundings and thunderstorm observations to assess which from a variety of stability indices were most successful in predicting thunderstorms in Finland, and found that Surface Lifted Index, CAPE and the Showalter index were most skillful based on the data set in question. This study aims to extend the assessment of thunderstorm predictors to atmospheric reanalyses, by utilising model pseudo-soundings. Reanalyses such as ERA-Interim use sophisticated data assimilation schemes to reconstruct past atmospheric conditions from historical observational data. In addition to a large sample size, this approach enables examining the use of other large-scale model parameters, which are hypothesized to be associated with convective initiation, as supplemental forecast parameters. Using lightning location data and ERA-Interim reanalysis fields for Finnish summers between 2002 and 2013, it is found that the Lifted Index (LI) based on the most unstable parcel in the lowest 300 hPa has the highest forecast skill among traditional stability indices. By combining this index with the dew point depression at 700 hPa and low-level vertical shear, its performance can be further slightly increased. Moreover, vertically integrated mass flux convergence between the surface and 500 hPa calculated from the ERA-I convergence seems to have high association with thunderstorm occurrence when used as a supplementary parameter. Finally, artificial neural networks (ANN) were developed for predicting thunderstorm occurrence, and their forecast skill compared to that of stability indices. The best ANN found, utilizing 11 parameters as input, clearly outperformed the best stability indices in a skill score test; achieving a True Skill Score of 0.69 compared to 0.61 with the most unstable Lifted Index. The results suggest that ANNs, due to their inherent nonlinearity, represent a promising tool for forecasting of deep, moist convection.
-
(2015)Perovskites are a class of materials that possess many interesting properties with a wide range of technological applications in the field of optoelectronics and photovoltaics. In recent years, perovskites have gained considerable attention as an inexpensive and easy-to-synthesize light absorbing material for so-called organic-inorganic solar cells. In this study we wish to examine the structural and electronic properties of CH3NH3PbI3 organohalide lead perovskites. Charge transport behaviour between the light harvesting perovskite and the underlying electron transport mesostructure are some of the factors that affect the Power Conversion Efficiencies (PCE) of these devices. Therefore, advanced characterization methods were used to investigate the structural and electronic changes that may occur at the interface. Scanning electron microscopy (SEM) was used to survey the structure and morphology of the samples. It was found that the titania grain sizes were 20-25 nm in size and the perovskite grain sizes from 200 nm to 500 nm. The samples were prepared using a solution processing method, which is widely considered as one of the most cost effective ways for crystal growth. However, our studies show that this method does not provide a full perovskite coverage of the surface (14.4% of surface uncovered) which reduces the light harvesting yield. X-ray diffraction (XRD) was employed to study the crystal structure of the sample. It was concluded that the titania was in the anatase phase and the perovskite in a tetragonal crystal system (space group: I4/mcm), with a cell size of a=8.89 A and c=12.68 A. Moreover, our XRD results reveal the existence of a PbI2 crystal phase, indicating an incomplete conversion of the precursors to the perovskite phase. In order to probe the changes that occur at the interface and to elucidate the electron transport mechanisms, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was conducted and the core-level spectra was investigated. A shift of 0.44 eV in the binding energy of the Ti 2p line was observed between the titania samples and the titania/perovskite. We hypothesize the origin of this shift to be due to a local screening effect, or the formation of a barrier between the perovskite and the titania that is hindering charge transport and is preventing the compensation for the surface charges lost during photoionization. Based on the findings presented in this thesis we suggest, as a possible research direction for the future, UV Photoelectron Spectroscopy (UPS) for constructing the band alignment schemes with the PbI2 layer included and a thorough investigation of the substrate effects and the synthesis routes on the charge transport dynamics of these systems.
-
(2016)In this thesis we consider an extension of the Standard Model (SM) with a SU(2) symmetric Dark Sector, and study its viability as a dark matter (DM) model. In the dark sector, a hidden Higgs mechanism generates three massive gauge bosons, which are the DM candidates of the model. We allow a small coupling between the SM Higgs and the scalar of the dark sector, such that there is a scalar mixing. We study the new interactions in the model and analyse the consequences of the scalar mixing: new possible decays of the Higgs into DM, Higgs decay rates and production cross sections different from SM predictions, and possible interactions between DM and normal matter. We study the evolution of the DM abundance from the early universe to the present and compare the relic densities that the model yields with the experimental value measured by the Planck satellite. We compute the decay rates for the Higgs in the model and test if they are consistent with the experimental data from Atlas, CMS and Tevatron. We calculate the cross section for the interaction between DM and normal matter and compare it with the data from the latest direct detection experiments LUX and XENON100. We discuss the impact of the experimental constraints on the parameter space of the model, and find the regions that give the best fit to the experimental data. In this work we show that the agreement with the experiments is optimal when both the DM candidates and the dark scalar are heavier than the Higgs boson.
-
(2016)An intense storm named Mauri swept over Lapland, Finland on the 22nd of September 1982 causing 3 Mm3 forest damage and two fatalities. There were thoughts that Mauri originated from a category 4 hurricane Debby but the linkage between Debby and Mauri and their connection to climatic conditions have not been investigated before. In this thesis, a climatic overview of September 1982 in comparison to 1981-2010 Septembers is provided. The calculations are based on ERA-Interim reanalysis data produced by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. The track of the storm is determined from ERA-Interim data from the time Debby occurred until Mauri crossed Finland. The evolution of Debby is also presented with the storm track data by National Oceanic and Atmospheric Administration to comparison. Extratropical transition (ET) and phase diagram of Debby and the synoptic evolution of Mauri are examined. ET is defined to start when the cyclone loses a symmetric hurricane eye feature to form asymmetric fronts, and ET is completed when the warm core of the storm turns cold. A comparison between Mauri and two other intense storms that have affected Europe is briefly presented. It was discovered, that Debby completed ET before rapidly crossing the North Atlantic. However, near the UK ex-Debby started to lose its cold core and asymmetric structure typical to an extratropical cyclone. Ex-Debby phased back to warm cored while crossing Sweden, and at the same time it was rapidly deepening up to 27 hPa in 24 hours defining the storm as a meteorological bomb. Ex-Debby developed a frontal structure along a pre-existing cold front before hitting Lapland. It merged with the pre-existing low pressure center from the Norwegian Sea and proceeded right ahead of an upper trough, a region for cyclogenesis. These made the storm, now named Mauri, more intense as it crossed Lapland, and led to 30 m/s winds based on Finnish Meteorological Institute. Meanwhile, an occluded bent-back front approached Mauri, wrapped around the storm trapping the warmer air inside it and formed a warm seclusion. Due to that, Mauri regained the symmetric structure before reaching the Barents Sea. Examining the climatic aspect, positive surface pressure and temperature anomalies over central Europe caused the jet stream to shift northward. Also, positive NAO and AO phases changed the storm track in general to higher latitudes. Hence, climatic conditions favoured the storm track to move more north. The results of this thesis suggested that Mauri was the remnant of a hurricane Debby. It was shown that ERA-Interim was successful in locating the evolution of a cyclone and analysing its structure whereas it underestimated the surface pressure and wind speed values. Future work is still needed, for instance comparing these results to different reanalyses and collecting a statistic examination of hurricane originated storms in Europe, in order to adapt these methods and climatic indicators to future cases and storm predictions.
-
(2012)Islannissa purkautui Eyjafjallajökull-niminen tulivuori 14.4.2010. Purkauksen voimakkuus ja siitä syntynyt tuhkapilvi pysäytti lähes koko Euroopan lentoliikenteen Suomi mukaan lukien. Tässä pro gradu -tutkielmassa kerrotaan, miksi juuri Islannissa purkautui tulivuori, ja mitä vaikutuksia purkauksella oli. Tutkielma esittelee erilaisia menetelmiä havainnoida ja mallintaa tuhkan kulkeutumista. Tulkitsemalla ja yhdistämällä erilaisten mallien ja menetelmien tuloksia pyritään vastaamaan kysymykseen: oliko Suomessa tuhkaa vai ei? Tutkielma painottuu kaukokartoitusmittauksiin sekä satelliiteista että maanpinnalta. Satelliittiaineisto on peräisin Ilmatieteen laitoksen (IL) Lapin ilmatieteellisessä tutkimuskeskuksessa vastaanotettavista satelliiteista. Käytetyt satelliitti-instrumentit ovat MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) ja OMI (Ozone Monitoring Instrument). Maanpinnalta tehdyt kaukokartoitushavainnot on tehty Brewer-spektrofotometrilla ja PFR-aurinkofotometrillä (Precision Filter Radiometer). PFR-mittauksia on sekä Sodankylästä että Jokioisista ja Brewer-mittauksia Sodankylästä. Kaukokartoitusaineiston lisäksi tutkielmassa käytetään kahta numeerista mallia: IL:n SILAMia (System for Integrated modeLling of Atmospheric coMposition) sekä UK Met Officen NAMEa (Numerical Atmospheric-dispersion Modelling Environment). Näiden lisäksi IL:n rikkidioksidimittausverkostoa käytetään sekä vertailussa satellittiaineiston kanssa että trajektorianalyysissä. Tutkielmassa käytettiin erilaisia lähestymistapoja tuhkan olemassaolon ja määrän selvittämiseen. Minkään yksittäisen mittauksen tai mallin perusteella ei kuitenkaan voida varmasti sanoa, oliko Suomessa vulkaanista tuhkaa vai ei keväällä 2010. Tätä voidaan pitää tutkielman tärkeimpänä johtopäätöksenä. Tulivuorten purkausten havainnoimisessa ja monitoroinnissa onkin tärkeää yhdistää erilaisten mittausten, ja mallien tuloksia ja tarkastella näitä suurena kokonaisuutena.
Now showing items 81-100 of 372