Oxidative stability of phytosterols in food models and foods

An important safety aspect to be considered when foods are enriched with phytosterols and phytostanols is the oxidative stability of these lipid compounds, i.e. their resistance to oxidation and thus to the formation of oxidation products. This study concentrated on producing scientific data to support this safety evaluation process. In the absence of an official method for analyzing of phytosterol/stanol oxidation products, we first developed a new gas chromatographic - mass spectrometric (GC-MS) method. We then investigated factors affecting these compounds' oxidative stability in lipid-based food models in order to identify critical conditions under which significant oxidation reactions may occur. Finally, the oxidative stability of phytosterols and stanols in enriched foods during processing and storage was evaluated. Enriched foods covered a range of commercially available phytosterol/stanol ingredients, different heat treatments during food processing, and different multiphase food structures. The GC-MS method was a powerful tool for measuring the oxidative stability. Data obtained in food model studies revealed that the critical factors for the formation and distribution of the main secondary oxidation products were sterol structure, reaction temperature, reaction time, and lipid matrix composition. Under all conditions studied, phytostanols as saturated compounds were more stable than unsaturated phytosterols. In addition, esterification made phytosterols more reactive than free sterols at low temperatures, while at high temperatures the situation was the reverse. Generally, oxidation reactions were more significant at temperatures above 100°C. At lower temperatures, the significance of these reactions increased with increasing reaction time. The effect of lipid matrix composition was dependent on temperature; at temperatures above 140°C, phytosterols were more stable in an unsaturated lipid matrix, whereas below 140°C they were more stable in a saturated lipid matrix. At 140°C, phytosterols oxidized at the same rate in both matrices. Regardless of temperature, phytostanols oxidized more in an unsaturated lipid matrix. Generally, the distribution of oxidation products seemed to be associated with the phase of overall oxidation. 7-ketophytosterols accumulated when oxidation had not yet reached the dynamic state. Once this state was attained, the major products were 5,6-epoxyphytosterols and 7-hydroxyphytosterols. The changes observed in phytostanol oxidation products were not as informative since all stanol oxides quantified represented hydroxyl compounds. The formation of these secondary oxidation products did not account for all of the phytosterol/stanol losses observed during the heating experiments, indicating the presence of dimeric, oligomeric or other oxidation products, especially when free phytosterols and stanols were heated at high temperatures. Commercially available phytosterol/stanol ingredients were stable during such food processes as spray-drying and ultra high temperature (UHT)-type heating and subsequent long-term storage. Pan-frying, however, induced phytosterol oxidation and was classified as a rather deteriorative process. Overall, the findings indicated that although phytosterols and stanols are stable in normal food processing conditions, attention should be paid to their use in frying. Complex interactions between other food constituents also suggested that when new phytosterol-enriched foods are developed their oxidative stability must first be established. The results presented here will assist in choosing safe conditions for phytosterol/stanol enrichment.

L-rhamnose-1-dehydrogenase gene and L-rhamnose catabolism in the yeast Pichia stipitis

The purpose of this work was to identify some of the genes of the catabolic route of L-rhamnose in the yeast Pichia stipitis. There are at least two distinctly different pathways for L-rhamnose catabolism. The one described in bacteria has phosphorylated intermediates and the enzymes and the genes of this route have been described. The pathway described in yeast does not have phosphorylated intermediates. The intermediates and the enzymes of this pathway are known but none of the genes have been identified. The work was started by purifying the L-rhamnose dehydrogenase, which oxidates L-rhamnose to rhamnonic acid-gamma-lactone. NAD is used as a cofactor in this reaction. A DEAE ion exchange column was used for purification. The active fraction was further purified using a non-denaturing PAGE and the active protein identified by zymogram staining. In the last step the protein was separated in a SDS-PAGE, the protein band trypsinated and analysed by MALDI-TOF MS. This resulted in the identification of the corresponding gene, RHA1, which was then, after a codon change, expressed in Saccharomyces cerevisiae. Also C- or N-terminal histidine tags were added but as the activity of the enzyme was lost or strongly reduced these were not used. The kinetic properties of the protein were analysed in the cell extract. Substrate specifity was tested with different sugars; L-rhamnose, L-lyxose and L-mannose were oxidated by the enzyme. Vmax values were 180 nkat/mg, 160 nkat/mg and 72 nkat/mg, respectively. The highest affinity was towards L-rhamnose, the Km value being 0.9 mM. Lower affinities were obtained with L-lyxose, Km 4.3 mM, and L-mannose Km 25 mM. Northern analysis was done to study the transcription of RHA1 with different carbon sources. Transcription was observed only on L-rhamnose suggesting that RHA1 expression is L-rhamnose induced. A RHA1 deletion cassette for P. stipitis was constructed but the cassette had integrated randomly and not targeted to delete the RHA1 gene. Enzyme assays for L-lactaldehyde dehydrogenase were done similarly to L-rhamnose dehydrogenase assays. NAD is used as a cofactor also in this reaction where L-lactaldehyde is oxidised to L-lactate. The observed enzyme activities were very low and the activity was lost during the purification procedures.

A dynamic programming model for optimising feeding and slaughter decisions regarding fattening pigs

Costs of purchasing new piglets and of feeding them until slaughter are the main variable expenditures in pig fattening. They both depend on slaughter intensity, the nature of feeding patterns and the technological constraints of pig fattening, such as genotype. Therefore, it is of interest to examine the effect of production technology and changes in input and output prices on feeding and slaughter decisions. This study examines the problem by using a dynamic programming model that links genetic characteristics of a pig to feeding decisions and the timing of slaughter and takes into account how these jointly affect the quality-adjusted value of a carcass. The model simulates the growth mechanism of a pig under optional feeding and slaughter patterns and then solves the optimal feeding and slaughter decisions recursively. The state of nature and the genotype of a pig are known in the analysis. The main contribution of this study is the dynamic approach that explicitly takes into account carcass quality while simultaneously optimising feeding and slaughter decisions. The method maximises the internal rate of return to the capacity unit. Hence, the results can have vital impact on competitiveness of pig production, which is known to be quite capital-intensive. The results suggest that producer can significantly benefit from improvements in the pig's genotype, because they improve efficiency of pig production. The annual benefits from obtaining pigs of improved genotype can be more than €20 per capacity unit. The annual net benefits of animal breeding to pig farms can also be considerable. Animals of improved genotype can reach optimal slaughter maturity quicker and produce leaner meat than animals of poor genotype. In order to fully utilise the benefits of animal breeding, the producer must adjust feeding and slaughter patterns on the basis of genotype. The results suggest that the producer can benefit from flexible feeding technology. The flexible feeding technology segregates pigs into groups according to their weight, carcass leanness, genotype and sex and thereafter optimises feeding and slaughter decisions separately for these groups. Typically, such a technology provides incentives to feed piglets with protein-rich feed such that the genetic potential to produce leaner meat is fully utilised. When the pig approaches slaughter maturity, the share of protein-rich feed in the diet gradually decreases and the amount of energy-rich feed increases. Generally, the optimal slaughter weight is within the weight range that pays the highest price per kilogram of pig meat. The optimal feeding pattern and the optimal timing of slaughter depend on price ratios. Particularly, an increase in the price of pig meat provides incentives to increase the growth rates up to the pig's biological maximum by increasing the amount of energy in the feed. Price changes and changes in slaughter premium can also have large income effects. Key words: barley, carcass composition, dynamic programming, feeding, genotypes, lean, pig fattening, precision agriculture, productivity, slaughter weight, soybeans

Essays on socially optimal phosphorus policies in crop production

Phosphorus is a nutrient needed in crop production. While boosting crop yields it may also accelerate eutrophication in the surface waters receiving the phosphorus runoff. The privately optimal level of phosphorus use is determined by the input and output prices, and the crop response to phosphorus. Socially optimal use also takes into account the impact of phosphorus runoff on water quality. Increased eutrophication decreases the economic value of surface waters by Deteriorating fish stocks, curtailing the potential for recreational activities and by increasing the probabilities of mass algae blooms. In this dissertation, the optimal use of phosphorus is modelled as a dynamic optimization problem. The potentially plant available phosphorus accumulated in soil is treated as a dynamic state variable, the control variable being the annual phosphorus fertilization. For crop response to phosphorus, the state variable is more important than the annual fertilization. The level of this state variable is also a key determinant of the runoff of dissolved, reactive phosphorus. Also the loss of particulate phosphorus due to erosion is considered in the thesis, as well as its mitigation by constructing vegetative buffers. The dynamic model is applied for crop production on clay soils. At the steady state, the analysis focuses on the effects of prices, damage parameterization, discount rate and soil phosphorus carryover capacity on optimal steady state phosphorus use. The economic instruments needed to sustain the social optimum are also analyzed. According to the results the economic incentives should be conditioned on soil phosphorus values directly, rather than on annual phosphorus applications. The results also emphasize the substantial effects the differences in varying discount rates of the farmer and the social planner have on optimal instruments. The thesis analyzes the optimal soil phosphorus paths from its alternative initial levels. It also examines how erosion susceptibility of a parcel affects these optimal paths. The results underline the significance of the prevailing soil phosphorus status on optimal fertilization levels. With very high initial soil phosphorus levels, both the privately and socially optimal phosphorus application levels are close to zero as the state variable is driven towards its steady state. The soil phosphorus processes are slow. Therefore, depleting high phosphorus soils may take decades. The thesis also presents a methodologically interesting phenomenon in problems of maximizing the flow of discounted payoffs. When both the benefits and damages are related to the same state variable, the steady state solution may have an interesting property, under very general conditions: The tail of the payoffs of the privately optimal path as well as the steady state may provide a higher social welfare than the respective tail of the socially optimal path. The result is formalized and an applied to the created framework of optimal phosphorus use.

Suomen maatalouden tuottamat kasvihuonekaasujen päästöt eri politiikkaskenaarioissa

Climate change is the single biggest environmental problem in the world at the moment. Although the effects are still not fully understood and there is considerable amount of uncertainty, many na-tions have decided to mitigate the change. On the societal level, a planner who tries to find an eco-nomically optimal solution to an environmental pollution problem seeks to reduce pollution from the sources where reductions are most cost-effective. This study aims to find out how effective the instruments of the agricultural policy are in the case of climate change mitigation in Finland. The theoretical base of this study is the neoclassical economic theory that is based on the assumption of a rational economic agent who maximizes his own utility. This theoretical base has been widened towards the direction clearly essential to the matter: the theory of environmental eco-nomics. Deeply relevant to this problem and central in the theory of environmental economics are the concepts of externalities and public goods. What are also relevant are the problems of global pollution and non-point-source pollution. Econometric modelling was the method that was applied to this study. The Finnish part of the AGMEMOD-model, covering the whole EU, was used for the estimation of the development of pollution. This model is a seemingly recursive, partially dynamic partial-equilibrium model that was constructed to predict the development of Finnish agricultural production of the most important products. For the study, I personally updated the model and also widened its scope in some relevant matters. Also, I devised a table that can calculate the emissions of greenhouse gases according to the rules set by the IPCC. With the model I investigated five alternative scenarios in comparison to the base-line scenario of Agenda 2000 agricultural policy. The alternative scenarios were: 1) the CAP reform of 2003, 2) free trade on agricultural commodities, 3) technological change, 4) banning the cultivation of organic soils and 5) the combination of the last three scenarios as the maximal achievement in reduction. The maximal achievement in the alternative scenario 5 was 1/3 of the level achieved on the base-line scenario. CAP reform caused only a minor reduction when com-pared to the base-line scenario. Instead, the free trade scenario and the scenario of technological change alone caused a significant reduction. The biggest single reduction was achieved by banning the cultivation of organic land. However, this was also the most questionable scenario to be real-ized, the reasons for this are further elaborated in the paper. The maximal reduction that can be achieved in the Finnish agricultural sector is about 11 % of the emission reduction that is needed to comply with the Kyoto protocol.

Puutarhakasvien talvehtiminen Manner-Suomen ilmastossa - nyt ja tulevaisuudessa

Tämä työ käsittelee Suomen ilmastoa puutarhakasvien näkökulmasta painopisteen ollessa lämpöilmastollisissa piirteissä ja kasvien talvehtimiseen liittyvissä tekijöissä. Työssä esitellään puutarhakasvien, erityisesti monivuotisten puuvartisten kasvien selviytymiseen vaikuttavia tekijöitä, ja näiden pohjalta kartoitetaan ilmastollisia olosuhteita eri puolilla Suomea viimeisen noin viiden vuosikymmenen ajalta. Lisäksi pyritään arvioimaan tuleville vuosikymmenille ennustetun lämpenemisen aiheuttamia muutoksia Suomen puutarhatuotannon menestymismahdollisuuksissa. Nykyilmaston osalta tarkastelu perustuu vuosien 1960-2006 päivittäisiin lumi- ja lämpötilahavaintoihin kymmenellä havaintopaikalla lounaisrannikolta Koillismaalle. Puutarhakasvien kannalta hyödyllisiä ja haitallisia ilmaston piirteitä pyrittiin kuvaamaan erilaisilla indekseillä, ns. kynnystapahtumien ajankohdilla ja erinäisten raja-arvojen ylittymisillä. Tulevaisuuden jaksojen 2010-39 ja 2040-69 osalta tilannetta tarkasteltiin A2- ja B1-skenaariossa. Työssä käytettiin ns. delta-menetelmää, missä 19 ilmastomallin keskiarvona saadut arviot kuukausikeskilämpötilojen noususta lisättiin havaintopaikkojen päivittäisiin vuosien 1971-2000 lämpötilahavaintoihin. Olosuhteet puutarhakasvien menestymiselle vaihtelevat paljon tarkastelussa olleella kolmelle kasvimaantieteelliselle vyöhykkeelle sijoittuvalla alueella. 1990-luvun alusta lisääntyneet leudot talvet näkyvät hyvin talvehtimisoloja kuvaavissa muuttujissa. Toisaalta havaintopaikkojen pienilmastolliset tekijät korostuvat erityisesti alueiden hallatilanteita tarkasteltaessa. Tulevaisuuden osalta monien puutarhakasvien talven selviytymisedellytyksiin vaikuttavien tekijöiden voidaan odottaa yleisesti parantuvan ilmaston lämmetessä, tosin Suomen ilmastossa pakkasvahinkojen riski on silti olemassa. Toisaalta entisestään leudontuvat talvet lämpöjaksoineen tulevat lisäämään mahdollisuutta kasvien kylmänkestävyyden heikkenemisestä aiheutuville ongelmille. Myöhäisten hallojen esiintymisen aiheuttamat vahingot riippuvat niitä edeltäneen ajan kasvuolosuhteista. Tällöin kasvukauden alun ajankohdassa, sen alkupuolen lämpimyydessä ja hallojen esiintymisen ajankohdassa tapahtuvien muutosten nettovaikutus ratkaisee myöhäisten hallatilanteiden kukinnalle muodostavan riskin tulevaisuudessa. Tästä ei saatu yksiselitteisiä tuloksia tämän tutkimuksen puitteissa, sillä hallariskiä kuvaavan indeksin käyttäytyminen oli varsin epämääräistä.

Entsymaattisen hydrolyysin vaikutuksista mikrokiteisen selluloosan rakenteeseen

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 assuption, 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.

Aurinkotuulen dynaamisen paineen muutosten vaikutus ionosfäärin dynamiikkaan

Monissa viimeaikaisissa tutkimuksissa on tutkittu aurinkotuulen dynaamisen paineen vaikutusta revontulialueen hiukkaspresipitaatioon. Tutkimukset ovat kuitenkin perustuneet muutamaan yksittäiseen tapaukseen ja laskevan dynaamisen paineen vaikutuksia ei juuri ole tarkasteltu. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää suuremmasta statistiikasta aurinkotuulen dynaamisen paineen nousujen ja laskujen vaikutusta ionosfäärin dynamiikkaan. Paineen muutoksia etsittiin ACE:n mittausdatasta vuosilta 1998 2004 ja ionosfäärin vastetta näihin muutoksiin tutkittiin käyttäen IMAGE-magnetometriverkon tuottamaa magneettisen aktiivisuuden indeksiä (IE-indeksi). Tutkimuksen kohteeksi valittiin 286 painepulssia, joita edelsi ja seurasi tasaisen paineen jakso, sekä 171 vastaavaa paineen laskua (negatiivista painepulssia). Näiden paineen muutosten ionosfäärivastetta tutkittaessa käytettiin tilastollista superposed epoch -menetelmää. Tutkimuksen tulokseksi saatiin selvä positiivinen korrelaatio IE-indeksin ja aurinkotuulen dynaamisen paineen välillä. Korrelaatio on vähemmän selkeää paineen laskujen kuin nousujen yhteydessä. Tälle on useita mahdollisia selityksia: Tutkimusaineisto paineen laskuista oli suppeampi. Toisin kuin painepulsseihin, paineen laskuihin ei liittynyt aurinkotuulen nopeuden muutosta. Lisäksi IMF:n magnitudi kasvoi lähes kaikkien paineen laskujen aikana, joten magnitudin ja IE:n välinen positiivinen korrelaatio voisi peittää paineen laskun vaikutusta. Eteläisen IMF:n painepulssien aikana IE:n muutokset aiheutuivat enimmäkseen läntisen elektrojetin vahvistumisesta ja pohjoisen IMF:n aikana havaitut IE:n muutokset liittyivät enemmän itäiseen elektrojettiin. Aurinkotuulen dynaamisen paineen ja elektrojettien korrelaation selitykseksi tarjotaan ionosfääriin saapuvien kentänsuuntaisten virtojen välityksellä tapahtuvaa kytkentää aurinkotuuleen. IMF:n z-komponentin suunnalla oli odotetun merkittävä vaikutus IE:n yleiseen tasoon, mutta IE:n korrelaatio paineen muutosten kanssa oli samaa tasoa z-komponentin etumerkistä riippumatta. Myös IMF:n y-komponentti osoittautui merkittäväksi pohjoisen IMF:n aikana, sillä tällöin IE:n yleinen taso oli korkeampi ja paineen muutosten vaikutus paljon selkeämpi IMF:n y-komponentin ollessa positiivinen kuin negatiivinen.

Satelliitti-instrumentti IASI ja sen sovellukset sääpalvelulle

IASI on vuodesta 2007 käytössä ollut satelliitti-instrumentti Metop-polaarisatelliitissa. IASI-mittauksista johdettuja lopputuotteita ovat mm. lämpötilan ja kosteuden pystyprofiilit, pilven ylärajan lämpötila ja paine sekä eri hivenkaasujen pitoisuudet. Tämä työ on alkua IASI:n käyttöönotolle Ilmatieteen laitoksella. Työssä selvitetään IASI:n lämpötilaprofiileiden ja pilven ylärajan paineen soveltuvuutta sääpalvelulle vertailemalla niitä jo käytössä oleviin sääpalvelun työkaluihin. IASI-mittauksista johdettuja lämpötilaprofiileita verrataan Ilmatieteen laitoksen operatiivisiin pintaluotauksiin. Lisäksi tarkastellaan IASI:n lämpötilaprofiileiden vaikutusta paikallisen analyysi- ja ennustustyökalu LAPS:in lämpötila-analyysiin. IASI:n pilven ylärajan lämpötiloja verrataan AVHRR-radiometrista johdettuihin pilven ylärajan lämpötiloihin. IASI:sta ja AVHRR:stä johdetut keskimääräiset lämpötilat olivat lähes samat alapilville. Yläpilville ja osittain läpinäkyville cirrus-pilville lämpötilaero oli noin 5 Celsius-astetta. IASI:n lämpötilaluotaukset osoittautuivat käyttökelpoisiksi etenkin keski- ja ylätroposfäärissä (350 - 600 hPa), jossa IASI:n antama lämpötila erosi pintaluotauksen lämpötilasta vain noin +-1 Celsius-astetta. IASI:n lämpötilaluotausten suurin ongelma on mittausten katkeaminen pilven ylärajaan. IASI-luotauksilla oli suuri vaikutus LAPS-lämpötila-analyysiin mallin koko alueella, mutta vertailuaineiston puutteessa ei voida varmasti sanoa onko vaikutus positiivinen vai negatiivinen. Tulokset ovat lupaavia. IASI:n lämpötilaluotaukset ja pilven ylärajan lämpötila vaikuttavat käyttökelpoisilta sääpalvelun tarpeisiin.

Suomessa esiintyvien lämpötilan ääriarvojen mallintaminen yksidimensioisilla ilmakehämalleilla

Tässä Pro Gradu -tutkielmassa oli tarkoitus määrittää ne lämpötilan ääriarvojen maksimi ja minimi arvot, jotka ovat vielä fysikaalisesti mahdollisia Suomen ilmastossa. Työssä käytettiin hyväksi kahta eri yksidimensioista ilmakehämallia, 1D-H634 sekä 1D-RCA3. Ensiksi mainittu pohjaa HIRLAM 6.3.4- malliin. Jälkimmäisessä mallissa HIRLAMin pintaprosessit on korvattu ruotsalaisen Rossby-keskuksen RCA3 -mallin fysiikalla. Tutkimukseen otettiin mukaan kaikki kolme luotausasemaa Suomesta (Jokioinen, Jyväskylä ja Sodankylä). Työ aloitettiin poimimalla Ilmatieteen laitoksen ilmastotietokannasta ne ajankohdat, joina kahden metrin lämpötila on ylittänyt kesällä +30°C ja alittanut talvella -35°C. Seuraavaksi etsittiin näitä ajanjaksoja vastaavat luotaustiedot. Luotauksia tutkimalla pyrittiin selvittämään mitkä tekijät vaikuttivat äärilämpötilojen esiintymiseen. Tämän jälkeen nämä luotaustiedot interpoloitiin vastaamaan mallin 40 vertikaalitasoa. Nämä tiedot syötettiin malleille yhdessä päivämäärän, kellonajan sekä koordinaattien kanssa ja tulokseksi saatiin vuorokauden kahden metrin lämpötilakäyrät. Koska yksidimensioiset mallit eivät ota huomioon lämmön advektiota, laskettiin Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskuksen (ECMWF) ERA40-uusanalyysien pohjalta kyseisiä ajanhetkiä vastaavat lämmön advektiot. Lisäksi laskettiin keskimääräiset advektion vuorokausirytmit kesällä (kesä-heinä-elo) ja talvella (tammi-helmi). Suomesta saatujen luotaustietojen pohjalta tehtyjen ajojen kahden metrin lämpötilat eivät kesätilanteessa kyenneet ylittämään Turussa vuonna 1914 mitattua lämpötilaennätystä +35,9°C. Verrattaessa kuitenkin malliajojen tuloksia tehtyihin havaintoihin, voitiin kesätilanteissa todeta mallin antavan jopa 5°C lämpimämpiä arvoja kuin kyseisissä tilanteissa on mitattu. Lopuksi päätettiin tehdä malliajo, jossa luotaus otettiin Tallinnan lentoasemalta elokuulta 1992. Tämän luotaustiedon pohjalta tehdyn ajon tulos (+36,4°C) ylitti Suomessa havaitun lämpötilaennätyksen. Talvitilanteissa 1D-H634-malli ei puolestaan kyennyt saavuttamaan Suomen pakkasennätystä (-51,5°C), joka mitattiin Kittilässä vuonna 1999. Mallitetut pakkaslukemat olivat kuitenkin suurimmassa osassa ajoja kireämpiä kuin mitä kyseisten tilanteiden havainnot kertovat. Käytettäessä 1D-RCA3-mallia päästiin pakkasissa -53,8°C:seen ja pakkaslukemat olivat muutenkin paljon alhaisempia verrattuna 1D-H634- mallin tuloksiin.

Havaintojärjestelmäkokeet numeerisessa sään ennustamisessa

Sään ennustamisessa tärkeä työväline on numeerinen säämalli, jossa ilmakehän tilan kuvaaminen perustuu niin sanottujen perusyhtälöiden ratkaisemiseen. Niiden avulla lasketaan tuulen nopeuden, ilmanpaineen, lämpötilan ja kosteuden muutokset pienin aika-askelin eteenpäin. Numeerinen säämalli tarvitsee lähtötiedokseen laadultaan hyviä havaintoja ilmakehän todellisesta tilasta. Joka vuorokausi kymmenet in-situ- ja kaukohavaintojärjestelmät tekevät havaintoja ilmakehästä sen pintakerroksesta ylärajaan asti. Pelkät havainnot eivät kuitenkaan riitä antamaan tarpeeksi tarkkoja lähtötietoja säämallille. Ongelman ratkaisu on data-assimilaatiojärjestelmä. Se yhdistää laatukontrollin läpikäyneen havaintotiedon ja mallitiedon, jota kutsutaan ennakkokentäksi, ja luo niiden avulla analyysin ilmakehän todellisesta tilasta. Havaintojärjestelmäkokeiden (OSE) avulla testataan havaintojärjestelmien vaikutuksia data-assimilaatiojärjestelmän tuottamien analyysien ja niistä tuotettujen sääennusteiden laatuun. OSE:n avulla selvitetään, kuinka hyvin saatavilla olevia havaintoja käytetään hyväksi, tai kannattaako jokin uusi havaintojärjestelmä ottaa mukaan operatiiviseen ennustusjärjestelmään. Tämän tutkielman aluksi tutustutaan lyhyesti numeerisiin säämalleihin, havaintojärjestelmiin ja dataassimilaatiojärjestelmiin, minkä jälkeen tehdään yleinen kirjallisuuskatsaus havaintojärjestelmäkokeiden suorittamisesta. Sen jälkeen keskitytään Doppler-säätutkan tuottamien tutkasäteen suuntaisten tuulen nopeushavaintojen hyödyntämiseen rajoitetun alueen HIRLAM-säämallissa, mitä on tutkittu viime vuosina Ilmatieteen laitoksessa (IL). Kaukohavaintojärjestelmien käyttö on lisääntynyt viime vuosien aikana kehittyneiden analyysimenetelmien ansiosta. Tavanomaisten in-situ- havaintojärjestelmien raju vähentäminen dataassimilaatiossa ei näytä kuitenkaan vielä olevan mahdollista. Kaukohavainnot ovat useiden OSE-kokeiden perusteella parantaneet analyysiä ja ennusteita erityisesti alueilla, joissa tavanomainen havaintoverkosto on harva. Tutkatuulihavaintojen on ajateltu tuovan parannuksia rajoitetun alueen säämalleihin, sillä niiden avulla saadaan tärkeää lisätietoa tuulen ageostrofisista ominaisuuksista. Sen johdosta pienen mittakaavan sääilmiöiden kuten meri- ja rinnetuulien ennustettavuuden toivotaan paranevan. IL:ssa on kehitetty tutkatuulihavaintojen käsittely- ja mallintamismenetelmiä, minkä jälkeen on suoritettu OSE Suomen tutkaverkoston tuulihavainnoilla aikavälille 1.-29.2.2008 HIRLAMin operatiiviselle 3D-VAR dataassimilaatiojärjestelmälle. Kyseisen OSE:n aineisto on saatu käyttöön tähän tutkielmaan. Kontrolliassimilaatiossa CON ovat mukana kaikki operatiiviset havaintojärjestelmät ja koeassimilaatioon RAD_ALL on syötetty myös tutkatuulihavainnot. Tässä tutkielmassa OSE:n tulokset todennetaan TEMP-tuulihavaintojen avulla tutkimalla ennakkokentän ja analyysin harhaa sekä satunnaisvirhettä. Tulosten perusteella tutkatuulihavainnot parantavat ennakkokenttää ja analyysiä erityisesti keskitroposfäärissä, mutta alatroposfäärissä vaikutus analyysiin on lähes neutraali. Koska tutkatuulihavainnot ulottuvat n. 4-6 km korkeuteen, ne eivät vaikuta ylätroposfäärin analyysiin. Tulokset eivät kuitenkaan ole tilastollisen testin perusteella tilastollisesti merkitseviä. Parhaimmillaan RAD_ALLassimilaation voidaan osoittaa olevan CON-assimilaatiota parempi 20% merkitsevyystasolla. Lopuksi suoritettu tapaustutkimus osoittaa, että tutkatuulihavaintojen vaikutus näkyy tuulen nopeuden analyysi-inkrementtikentässä sekä jossain määrin myös lyhyessä 12h pintapaine-ennusteessa Suomen alueella. Tapaustutkimuksen perusteella tutkatuulihavaintojen vaikutus analyysiin ja ennusteeseen näyttäisi olevan lähes neutraali. OSE:n toistaminen kesäkuukaudelle voisi olla hyödyllistä, koska talvella ei esiinny esimerkiksi merituulia. Tämän tutkielman tulosten perusteella tutkatuulihavaintojen käyttäminen HIRLAMin 3D-VAR assimilaatiojärjestelmässä on hyödyllistä. Avainsanat – Nyckelord – Keywords Havaintojärjestelmäkoe, data-assimilaatio, Doppler-tutkatuulihavainto Säilytyspaikka – Förvaringställe – Where deposited Kumpulan tiedekirjasto

Syntheses and Self-Assembling Characteristics of Amphiphilic Star Diblock Copolymers

Uusien polymeeripohjaisten teknologioiden ja materiaalien myötä räätälöityjen polymeerien tarve on kasvanut. Viime vuosituhannen lopussa kehitetyt kontrolloidut polymerointimenetelmät ovat avanneet uusia mahdollisuuksia paitsi monimutkaisten polymeerien synteesiin, myös itsejärjestyvyyteen perustuvien funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Nämä voivat jäljitellä luonnossa esiintyviä rakenteita, joita muodostavat esimerkiksi lipidit ja proteiinit. Itsejärjestyvät molekyylit ovat usein amfifiilisiä eli ne koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista osista ja polymeereissä nämä osat voivat olla omina lohkoinaan, jolloin puhutaan amfifiilisistä lohko- tai blokkikopolymeereistä. Riippuen järjestyneiden rakenteiden koostumuksesta ja muodosta, amfifiilisiä blokkikopolymeerejä on tutkittu tai jo käytetty nanoteknologiassa, elastomeereissä, voiteluaineissa, pinta-aktiivisina aineina, lääkkeenannostelussa, maaleissa, sekä elektroniikka-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Tavallisimmin käytetyt amfifiiliset blokkikopolymeerit ovat olleet lineaarisia, mutta viime aikoina tutkimus on suuntautunut kohti monimutkaisempia rakenteita. Tällaisia ovat esimerkiksi tähtipolymeerit. Tähtimäisissä polymeereissä miselleille tyypillinen ydin-kuori-rakenne säilyy hyvin alhaisissakin polymeerikonsentraatioissa, koska polymeeriketjut ovat kiinni toisissaan yhdessä pisteessä. Siten ne ovat erityisen kiinnostavia tutkimuskohteita erilaisten hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden sitomiseksi ja vapauttamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu amfifiilisten tähtipolymeerien itsejärjestymistä vesiliuoksissa sekä kokeellisesti ja tietokonesimulaatioin. Työ koostuu kahdesta osasta: tähtipolymeerien synteesistä makrosyklisillä initiaattoreilla ja amfifiilisten tähtimäisten blokkikopolymeerien ominaisuuksien tutkimisesta.

Aspects and Applications of Pulse Sequence Design for Solution-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

NMR spectroscopy enables the study of biomolecules from peptides and carbohydrates to proteins at atomic resolution. The technique uniquely allows for structure determination of molecules in solution-state. It also gives insights into dynamics and intermolecular interactions important for determining biological function. Detailed molecular information is entangled in the nuclear spin states. The information can be extracted by pulse sequences designed to measure the desired molecular parameters. Advancement of pulse sequence methodology therefore plays a key role in the development of biomolecular NMR spectroscopy. A range of novel pulse sequences for solution-state NMR spectroscopy are presented in this thesis. The pulse sequences are described in relation to the molecular information they provide. The pulse sequence experiments represent several advances in NMR spectroscopy with particular emphasis on applications for proteins. Some of the novel methods are focusing on methyl-containing amino acids which are pivotal for structure determination. Methyl-specific assignment schemes are introduced for increasing the size range of 13C,15N labeled proteins amenable to structure determination without resolving to more elaborate labeling schemes. Furthermore, cost-effective means are presented for monitoring amide and methyl correlations simultaneously. Residual dipolar couplings can be applied for structure refinement as well as for studying dynamics. Accurate methods for measuring residual dipolar couplings in small proteins are devised along with special techniques applicable when proteins require high pH or high temperature solvent conditions. Finally, a new technique is demonstrated to diminish strong-coupling induced artifacts in HMBC, a routine experiment for establishing long-range correlations in unlabeled molecules. The presented experiments facilitate structural studies of biomolecules by NMR spectroscopy.

Sources and concentrations of volatile organic compounds

Volatile organic compounds (VOCs) have a great influence on tropospheric chemistry; they affect ozone formation and they or their reaction products are able to take part in secondary organic aerosol formation; some of the VOCs are themselves toxic. Knowing the concentrations and sources of different reactive volatile organic compounds is essential for the development of ozone control strategies and for studies of secondary organic aerosol formation. The objective of this work was to study volatile organic compounds in urban air, develop and validate determination methods for them, characterize their concentrations and estimate the contributions of different VOC sources. Of the different compound groups detected in the urban air of Helsinki, alkanes were found to have the highest concentrations, but when the concentrations were scaled against the reactivity with hydroxyl radicals (OH), aromatic hydrocarbons and alkenes were found to have the greatest effect on local chemistry. Comparisons with rural sites showed that concentrations at Utö and Hyytiälä were generally lower than those in Helsinki, especially for the alkenes and aromatic hydrocarbons, but concentrations of halogenated hydrocarbons at Utö and carbonyls at Hyytiälä were at the same level as in Helsinki. Most halogenated hydrocarbons do not have any significant sources in Helsinki, and carbonyls are formed in the atmosphere in the reactions of other VOCs, and are therefore also produced in other than urban areas. At Hyytiälä carbonyls were found to have an important role in the local chemistry. The contribution of carbonyls as an OH sink was higher than that of the monoterpenes and aromatic hydrocarbons. Based on the emission profile and concentration measurements, the contributions of different sources were estimated at urban (Helsinki) and residential (Järvenpää) sites using a chemical mass balance (CMB) receptor model. It was shown that it is possible to apply CMB in the case of a large number of different compounds with different properties. According to the CMB analysis, the major sources for these VOCs in Helsinki were traffic and distant sources. At the residential site in Järvenpää, the contribution due to traffic was minor, while distant sources, liquid gasoline and wood combustion made higher contributions. It was also shown that wood combustion can be an important source at some locations of VOCs usually considered as traffic-related compounds (e.g., benzene).

The kinetics and reactivity of several polyatomic free radicals in reactions with NO2, O2, Cl2, and HCl

In this thesis, the kinetics of several alkyl, halogenated alkyl, and alkenyl free radical reactions with NO2, O2, Cl2, and HCl reactants were studied over a wide temperature range in time resolved conditions. Laser photolysis photoionisation mass spectrometer coupled to a flow reactor was the experimental method employed and this thesis present the first measurements performed with the experimental system constructed. During this thesis a great amount of work was devoted to the designing, building, testing, and improving the experimental apparatus. Carbon-centred free radicals were generated by the pulsed 193 or 248 nm photolysis of suitable precursors along the tubular reactor. The kinetics was studied under pseudo-first-order conditions using either He or N2 buffer gas. The temperature and pressure ranges employed were between 190 and 500 K, and 0.5 45 torr, respectively. The possible role of heterogeneous wall reactions was investigated employing reactor tubes with different sizes, i.e. to significantly vary the surface to volume ratio. In this thesis, significant new contributions to the kinetics of carbon-centred free radical reactions with nitrogen dioxide were obtained. Altogether eight substituted alkyl (CH2Cl, CHCl2, CCl3, CH2I, CH2Br, CHBr2, CHBrCl, and CHBrCH3) and two alkenyl (C2H3, C3H3) free radical reactions with NO2 were investigated as a function of temperature. The bimolecular rate coefficients of all these reactions were observed to possess negative temperature dependencies, while pressure dependencies were not noticed for any of these reactions. Halogen substitution was observed to moderately reduce the reactivity of substituted alkyl radicals in the reaction with NO2, while the resonance stabilisation of the alkenyl radical lowers its reactivity with respect to NO2 only slightly. Two reactions relevant to atmospheric chemistry, CH2Br + O2 and CH2I + O2, were also investigated. It was noticed that while CH2Br + O2 reaction shows pronounced pressure dependence, characteristic of peroxy radical formation, no such dependence was observed for the CH2I + O2 reaction. Observed primary products of the CH2I + O2 reaction were the I-atom and the IO radical. Kinetics of CH3 + HCl, CD3 + HCl, CH3 + DCl, and CD3 + DCl reactions were also studied. While all these reactions possess positive activation energies, in contrast to the other systems investigated in this thesis, the CH3 + HCl and CD3 + HCl reactions show a non-linear temperature dependency on the Arrhenius plot. The reactivity of substituted methyl radicals toward NO2 was observed to increase with decreasing electron affinity of the radical. The same trend was observed for the reactions of substituted methyl radicals with Cl2. It is proposed that interactions of frontier orbitals are responsible to these observations and Frontier Orbital Theory could be used to explain the observed reactivity trends of these highly exothermic reactions having reactant-like transition states.