Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Browsing by department "Fysiikan laitos"

Sort by: Order: Results:

  • Sairanen, Viljami (2013)
    Diffuusiokuvantaminen perustuu magneettikuvauslaitteen avulla mitattuun vesimolekyylien satunnaiseen lämpöliikkeeseen. Pehmytkudoksessa vesimolekyyli diffuntoituu noin 17 mikrometrin matkan 50 millisekunnin aikana ja diffuusiokuvantaminen on ainoa kliininen kuvantamismenetelmä, joka pystyy rekisteröimään näin pientä liikettä ei-invasiivisesti. Tutkimalla, missä suunnissa diffuntoituminen on voimakasta, voidaan paikantaa esimerkiksi valkeasta aivoaineesta hermoratojen reittejä. Tämä edellyttää käytännössä vähintään 20 diffuusiosuunnan kuvaamista, joiden pohjalta lasketaan diffuusion suuntaa ja suuruutta kuvaava diffuusiotensori kuva-alkiokohtaisesti. Menetelmä edellyttää nopeaa kuvausaikaa, jotta fysiologiset virtaukset tai potilaan liike eivät häiritse tasoltaan huomattavasti heikomman lämpöliikkeen rekisteröintiä. Nopea kuvaus puolestaan asettaa laiteteknisiä vaatimuksia gradienttikentille, joita ei anatomisessa T1- tai T2-painotetussa kuvantamisessa esiinny. Gradienttikelojen on pystyttävä toimimaan äärirajoillansa koko kuvauksen ajan, jotta useat peräkkäiset rekisteröinnit eri diffuusiosuunnissa ovat mahdollisia. Optimoinnissa käyttäjä ei voi vaikuttaa laiteteknisiin ratkaisuihin, mutta kuvausparametrien variointi on mahdollista. Edellytyksenä mielekkäälle optimoinnille on kuitenkin valita vertailtavat suureet, joiden perusteella voidaan sanoa, mitkä testatuista vaihtoehdoista paransivat kuvanlaatua. Diffuusiotensorikuvantamiseen (DTI) on ehdotettu laadunvalvontaprotokollaa, joka huomioi kuvausmenetelmän laitetekniset haasteet. Kyseinen julkaisu on ainoa, joka ottaa kantaa useimpiin DTI:n ongelmakohtiin ja on siten luonteva lähtökohta DTI-optimoinnille. Julkaisun menetelmässä tutkittiin DTI-sekvenssin tuottamaa signaalikohinasuhdetta, kuvaussekvenssistä ja indusoituvista pyörrevirroista johtuvia erilaisia geometrisia vääristymiä sekä diffuusiotensorista johdettuja FA- ja MD-arvoja. Työn ensimmäisessä vaiheessa valittiin kliiniseen DTI-sekvenssiin pohjautuva referenssisekvenssi, jota varioitiin yksi kuvausparametri kerrallaan. Muunnellut parametrit olivat kaikuaika, rinnakkaiskuvantamiskerroin, k-avaruuden keräyslaajuus, päämagneettikentän tasoitusalue sekä diffuusiopainotuskerroin eli b-arvo. Varioituja sekvenssejä oli yhteensä 10, joiden pohjalta valittiin kuvanlaatuun myönteisesti vaikuttaneet parametrit työn toiseen vaiheeseen, missä referenssisekvenssiä varioitiin usean parametrin suhteen. Lopputuloksena todettiin, että lyhin mahdollinen kaikuaika 55 ms ja suurin mahdollinen k-avaruuden kartoitusalueparametrin arvo 0,780 kasvattivat signaalikohinasuhdetta 13 %. Rinnakkaiskuvantamiskertoimen kasvattaminen kahdesta kahteen ja puoleen pienensi geometrisia vääristymiä kvalitatiivisessa arviossa, mutta heikensi signaalikohinasuhdetta referenssisekvenssiin verrattuna suurimmillaan vain 5 %. Päämagneettikentän tasoitusalueen valinnalla tai b-arvon pienentämisellä tuhannesta kahdeksaansataan ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta kuvanlaadulle fantomitutkimusessa. Tulokset eivät poikenneet teoreettisista ennusteista, mutta toisaalta laiteteknisistä rajoituksista johtuen optimointi ei voi perustua pelkästään teoreettiseen arvioon oikeista parametrien arvoista. Työssä esitettyä menetelmää on mahdollista jatkossa käyttää myös muiden diffuusiopainotettujen sekvenssien optimoinnissa.
  • Naaranoja, Tiina (2014)
    The Large Hadron Collider (LHC) at CERN is currently being started up after a long shutdown. Another similar maintenance and upgrade period is due to take place in a few years. The luminosity and maximum beam energy will be increased after the shutdowns. Many upgrade projects stem from the increased demands from the changed environment and the opportunity of installation work during the shutdowns. The CMS GEM collaboration proposes to upgrade the muon system in CMS experiment by adding Gaseous Electron Multiplier (GEM) chambers. The new GEM-detectors need new Front-End electronics. There are two parallel development branches for mixed-signal ASICs; one comes with analog signal processing (VFAT3-chip) and another with analog and digital signal processing (GdSP-chip). This Thesis covers the development of the digital signal processing for the GdSP-chip. The design is described on algorithm level and with block diagrams. The signal originating in the triple GEM-detector sets special challenges on the signal processing. The time constant in the analog shaper is programmable due to irregularities in the GEM-signal. This in turn poses challenges for the digital signal processing. The pulse peaking time and signal bandwidth depend on the choice made for the time constant. The basic signal processing techniques and needs are common for many detectors. Most of the digital signal processing has shared requirements with an existing, well-tested Front-End chip. Time pick-off and trigger production was not included in these shared tasks. Several time pick-off methods were considered and compared with simulations. The simulations were performed first using Simulink running on Matlab and then on Cadence tools using Verilog hardware description language. Time resolution is an important attribute determined jointly by the detector and the signal processing. It is related to the probability to associate the measured pulse with the correct event. The effect of the different time pick-off methods on time resolution was compared with simulations. Only the most promising designs were developed further. Constant Fraction Discriminator and Pulse Recognition, the two most promising algorithms, were compared against analog Constant Fraction Discriminator and Time over Threshold time pick-off methods. The time resolutions obtained with noiseless signal were found to be comparable. At least in gas detector applications digital signal processing should not be ruled out of fear for deteriorated time resolution. The proposed digital signal processing chain for GdSP includes Baseline Correction, Digital Shaper, Integrator, Zero Suppression and Bunch Crossing Identification. The Baseline Correction includes options for using fixed baseline removal and moving average filter. In addition it contains a small memory, which can be used as test signal input or as look-up-table et cetera. Pole-zero cancellation is proposed for digital shaping. The integrator filters high frequency noise. The Constant Fraction Discriminator was found optimal for Bunch Crossing Identification.
  • Niemi, Lauri (2018)
    First-order phase transitions in the electroweak sector are an active subject of research as they contain ingredients for baryon number violation and gravitational-wave production. The electroweak phase transition in the Standard Model (SM) is of a crossover type, but first-order transitions are possible in scalar extensions of the SM, provided that interactions of the Higgs boson with the new particles are sufficiently strong. If such particles exist, they are expected to have observable signatures in future collider experiments. Conversely, studying the electroweak transition in theories beyond the SM can bring new insight on the cosmological implications of these models. Reliable estimates of the properties of the transition require non-perturbative approaches to quantum field theory due to infrared problems plaguing perturbative calculations at high temperatures. We discuss three-dimensional effective theories that are suitable for lattice simulations of the transition. These theories are constructed perturbatively by factorizing correlation functions so that contributions from light field modes driving the phase transition can be identified. Resummation of infrared divergences is naturally carried out in the construction procedure, and simulating the resulting effective theory on the lattice allows for a non-perturbative phase-transition study that is also free of infrared problems. Dimensionally-reduced theories can thus be used to probe the conditions under which perturbative treatments of the electroweak phase transition are valid. We apply the method to the SM augmented with a real $\text{SU}(2)$ triplet scalar and provide a detailed description of dimensional reduction of this model. Regions of a first-order transition in the parameter space are identified in the heavy triplet limit by the use of an effective theory for which lattice results are known. We provide a rough estimate for the accuracy of our results by considering higher-order operators that have been omitted from the effective theory and discuss future prospects for the three-dimensional approach.
  • Korolainen, Hanna (2018)
    All aerobic organisms require oxygen, which is taken into the lungs from the outside air during inhalation. From the lungs it travels all the way to the alveoli. The lung surfactant inside the alveoli consists of roughly 90% lipids and 10% proteins. Its primary functions are the reduction of the surface tension of the fluid inside the alveoli and its role as a part of the innate immune defense. The four most abundant proteins in the lung surfactant are called SP-A, SP-B, SP-C, and SP-D. The hydrophobic surfactant protein C (or SP-C) is the smallest of the four. It has a primarily α-helical structure with two palmitoylated cysteines attached to the N-terminal, helping SP-C to be bound to the surfactant membranes more tightly. The primary functions of SP-C include the transfer of lipids from lipid monolayers to multilayered structures, the enhancement of the adsorption of surface active molecules into the air-liquid interface, and the maintenance of the integrity of the multilayered structure. Lack of SP-C is known to lead to severe chronic respiratory pathologies. A potential dimerization motif has been suggested to be located near the C-terminus of SP-C. The purpose of this project was to study the possible dimerization of SP-C using the tools of molecular dynamics simulations. In this method Newton's second law is used to calculate the time evolution of the system. The resulted trajectory describes how the positions and velocities of the particles in the system change with time. Both coarse-grained (Martini force field) and atomistic (OPLS force field) models were used in the project. Dimerization was found to occur in coarse-grained simulations of 20 SP-Cs embedded into a bilayer: both aggregation and dissociation of the proteins were observed during a period of 1μs. Excessive aggregation of membrane proteins is known to be a problem when using the Martini force field. However, the dimers in the simulations were not irreversible, which indicates that the usage of the Martini force field was rather well justified. The dimerization motif found in the simulations is largely consistent with the one suggested by experiment. The dimers were also studied through atomistic simulations based on the fine-grained structures of coarse-grained simulations, and the atomistic simulations indicated the dimers to be stable. Altogether, the simulation results are in favor of the view that SP-C exists in a dimeric form. The function of the dimer structure remains to be clarified in future studies.
  • Vartia, Olli (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.
  • Muszynski, Johann Michael (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.
  • Gaire, Surakshya (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.
  • Laurila, Tiia (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.
  • Oyekoya, Gboyega Nathaniel (2018)
    Methods for mitigating climate change have been researched for decades. It has been established that most of greenhouse gases (GHG) such as carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O), methane (CH4) are due to anthropogenic activities. Significant amount of these gases, particularly N2O and CH4 are emitted due to agricultural practices. To boost food supply, nitrogenous fertilizers are the most common fertilizers used in farming, and as the global population will increase to 9 billion by 2050, it is crucial to keep pace with both the population growth and potential economic development. Applying biochar in soil has been regarded as a potential approach to combat climate change while boosting food supplies. In this study, the effect of two different biochars mixed with 15N-labelled ammonium nitrate ( either nitrate NH415NO3, or 15NH4NO3 ammonium labelled) fertilizers in growing Meroa Tetraploid Italian Ryegrasses (Lolium multiflorum) were investigated in Greenhouse Viikki Campus Greenhouse, University of Helsinki, Finland. We monitored the impact of biochars on the aboveground biomasses (g pot-1), roots biomasses (g pot-1), and total biomasses (gram/pot). Furthermore, retention of leachates (nutrient ions) such as atom percentage (at%) 15N-labelled ammonium ion (at% 15NH4-N), mg NH4-N, at% 15N -labelled nitrate ions (at% 15NO3-N %), and mg NO3-N were investigated as well. Lastly, GHG fluxes of N2O-N (ug Kg-1 soil hr-1), CH4-C (ug Kg-1 soil hr-1), CO2-C (mg Kg-1 soil hr-1) were also included in our research for a period of one month in comparison with control samples and fertilized control. Leachates were collected once a week, and gas samplings were measured twice each day for two days in a week. Gases sampled, and leachates collected were analysed, and the plants were detached to obtain the amount of aboveground biomasses (leaves), roots biomasses (roots) and total biomasses (leaves + roots). Our objective affirmed a more eco-friendlly model that biochars can reduce nitrogenous fertilizers applied with an increased agricultural produce. It was concluded that, the effects of different biochars on these mentioned attributes are distinguishable.
  • Schroderus, Anne (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.
  • Kastikainen, Jani (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.
  • Ritaluoto, Pasi (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.
  • Moilanen, Joonas (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.
  • Piipponen, Kaiu (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.
  • Westenius, Mathias (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.
  • Tiira, Jussi (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.
  • Penttilä, Paavo (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.
  • Tenkanen, Tommi (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.
  • Lahén, Natalia (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.
  • Peräkylä, Otso (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.