Mittauslaitteiston suunnittelu piidiodien vuotovirtamittauksiin matalissa lämpötiloissa

Tässä työssä on suunniteltu mittauslaitteisto ja toteutettu diodien vuotovirtamittaukset matalissa lämpötiloissa. Suunnittelun pääpaino oli tuottaa mittauslaitteisto, joka kestäisi mittausolosuhteitten matalan lämpötilan (80 K) ja toisaalta myös lämpötilavaihtelut huoneen lämpötilasta mataliin lämpötiloihin. Lisäksi mittauslaitteiston oli kestettävä myös tutkimusprojektin myöhemmissä vaiheissa mukaan tulevaa protonisäteilytystä, mikä asetti omat valintaperusteensa materiaaleille. Mittauslaitteiston kohinaa pyrittiin vaimentamaan kontaktipintojen kultapinnoitteilla ja kiinnittämällä huomiota virtajohtimien eristyksiin. Työssä mitattiin erilailla prosessoitujen piidiodien vuotovirtoja eri lämpötiloissa. Mitatut diodit olivat sekä etukäteen säteilytettyjä että säteilyttämättömiä ja työn yhtenä päämääränä oli verrata säteilytyksen vaikutuksia vuotovirran lämpötilakorrelaatioon. Diodien piimateriaaleja oli valmistettu magneettisella Czochralski-menetelmällä sekä Float Zone-menetelmällä, lisäksi osaa diodeista oli muokattu erilaisilla lämpökäsittelyillä parempien säteilynkesto-ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Mittauksissa diodin lämpötila laskettiin jäähdytyslaitteistolla systeemin minimilämpötilaan ja diodin ominaiskäyrä mitattiin välillä 0-450 V. Lämpötilaa nostettiin asteittain ja ominaiskäyrät mitattiin määrätyissä lämpötiloissa, minkä jälkeen tuloksia verrattiin teoreettisiin arvioihin vuotovirran lämpötilakäyttäytymisestä. Tulosten perusteella voidaan todeta teoreettisten arvojen vastaavan kokeellisia, mittauslaitteiston erottelukyvyn kynnykselle asti (10-11A), mutta tämän jälkeen mahdollinen lämpötilan laskun aiheuttama virranlasku hukkuu mittalaitteiston kohinan sekaan. Säteilytettyjen diodien kohdalla lämpötilan laskeminen madalsi vuotovirtaa 6 dekadia huoneenlämmöstä 190 K lämpötilaan, kunnes mittauskynnys ylittyi. Säteilyttämättömillä diodeilla vuotovirta oli jo huoneenlämpötilassa erittäin pientä ja lämpötilan laskiessa minimiarvoonsa vuotovirta pieneni n. 2 dekadia, kunnes mittalaitteiston mittatarkkuus tuli vastaan.

Multiangular Spectrometry and Optical Properties of Debris Covered Surfaces

Due to the recent development in CCD technology aerial photography is now slowly changing from film to digital cameras. This new aspect in remote sensing allows and requires also new automated analysis methods. Basic research on reflectance properties of natural targets is needed so that computerized processes could be fully utilized. For this reason an instrument was developed at Finnish Geodetic Institute for measurement of multiangular reflectance of small remote sensing targets e.g. forest understorey or asphalt. Finnish Geodetic Institute Field Goniospectrometer (FiGIFiGo) is a portable device that is operated by 1 or 2 persons. It can be reassembled to a new location in 15 minutes and after that a target's multiangular reflectance can be measured in 10 - 30 minutes (with one illumination angle). FiGIFiGo has effective spectral range approximately from 400 nm to 2000 nm. The measurements can be made either outside with sunlight or in laboratory with 1000 W QTH light source. In this thesis FiGIFiGo is introduced and the theoretical basis of such reflectance measurements are discussed. A new method is introduced for extraction of subcomponent proportions from reflectance of a mixture sample, e.g. for retrieving proportion of lingonberry's reflectance in observation of lingonberry-lichen sample. This method was tested by conducting a series of measurements on reflectance properties of artificial samples. The component separation method yielded sound results and brought up interesting aspects in targets' reflectances. The method and the results still need to be verified with further studies, but the preliminary results imply that this method could be a valuable tool in analysis of such mixture samples.

Noncommutative Gravitation as a Gauge Theory of Twisted Poincaré Symmetry

Gravitaation kvanttiteorian muotoilu on ollut teoreettisten fyysikkojen tavoitteena kvanttimekaniikan synnystä lähtien. Kvanttimekaniikan soveltaminen korkean energian ilmiöihin yleisen suhteellisuusteorian viitekehyksessä johtaa aika-avaruuden koordinaattien operatiiviseen ei-kommutoivuuteen. Ei-kommutoivia aika-avaruuden geometrioita tavataan myös avointen säikeiden säieteorioiden tietyillä matalan energian rajoilla. Ei-kommutoivan aika-avaruuden gravitaatioteoria voisi olla yhteensopiva kvanttimekaniikan kanssa ja se voisi mahdollistaa erittäin lyhyiden etäisyyksien ja korkeiden energioiden prosessien ei-lokaaliksi uskotun fysiikan kuvauksen, sekä tuottaa yleisen suhteellisuusteorian kanssa yhtenevän teorian pitkillä etäisyyksillä. Tässä työssä tarkastelen gravitaatiota Poincarén symmetrian mittakenttäteoriana ja pyrin yleistämään tämän näkemyksen ei-kommutoiviin aika-avaruuksiin. Ensin esittelen Poincarén symmetrian keskeisen roolin relativistisessa fysiikassa ja sen kuinka klassinen gravitaatioteoria johdetaan Poincarén symmetrian mittakenttäteoriana kommutoivassa aika-avaruudessa. Jatkan esittelemällä ei-kommutoivan aika-avaruuden ja kvanttikenttäteorian muotoilun ei-kommutoivassa aika-avaruudessa. Mittasymmetrioiden lokaalin luonteen vuoksi tarkastelen huolellisesti mittakenttäteorioiden muotoilua ei-kommutoivassa aika-avaruudessa. Erityistä huomiota kiinnitetään näiden teorioiden vääristyneeseen Poincarén symmetriaan, joka on ei-kommutoivan aika-avaruuden omaama uudentyyppinen kvanttisymmetria. Seuraavaksi tarkastelen ei-kommutoivan gravitaatioteorian muotoilun ongelmia ja niihin kirjallisuudessa esitettyjä ratkaisuehdotuksia. Selitän kuinka kaikissa tähänastisissa lähestymistavoissa epäonnistutaan muotoilla kovarianssi yleisten koordinaattimunnosten suhteen, joka on yleisen suhteellisuusteorian kulmakivi. Lopuksi tutkin mahdollisuutta yleistää vääristynyt Poincarén symmetria lokaaliksi mittasymmetriaksi --- gravitaation ei-kommutoivan mittakenttäteorian saavuttamisen toivossa. Osoitan, että tällaista yleistystä ei voida saavuttaa vääristämällä Poincarén symmetriaa kovariantilla twist-elementillä. Näin ollen ei-kommutoivan gravitaation ja vääristyneen Poincarén symmetrian tutkimuksessa tulee jatkossa keskittyä muihin lähestymistapoihin.

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.

Technicolor

In technicolor theories the scalar sector of the Standard Model is replaced by a strongly interacting sector. Although the Standard Model has been exceptionally successful, the scalar sector causes theoretical problems that make these theories seem an attractive alternative. I begin my thesis by considering QCD, which is the known example of strong interactions. The theory exhibits two phenomena: confinement and chiral symmetry breaking. I find the low-energy dynamics to be similar to that of the sigma models. Then I analyze the problems of the Standard Model Higgs sector, mainly the unnaturalness and triviality. Motivated by the example of QCD, I introduce the minimal technicolor model to resolve these problems. I demonstrate the minimal model to be free of anomalies and then deduce the main elements of its low-energy particle spectrum. I find the particle spectrum contains massless or very light technipions, and also technibaryons and techni-vector mesons with a high mass of over 1 TeV. Standard Model fermions remain strictly massless at this stage. Thus I introduce the technicolor companion theory of flavor, called extended technicolor. I show that the Standard Model fermions and technihadrons receive masses, but that they remain too light. I also discuss flavor-changing neutral currents and precision electroweak measurements. I then show that walking technicolor models partly solve these problems. In these models, contrary to QCD, the coupling evolves slowly over a large energy scale. This behavior adds to the masses so that even the light technihadrons are too heavy to be detected at current particle accelerators. Also all observed masses of the Standard Model particles can be generated, except for the bottom and top quarks. Thus it is shown in this thesis that, excluding the masses of third generation quarks, theories based on walking technicolor can in principle produce the observed particle spectrum.

Sademääräsimulaatiot ENSEMBLES-hankkeen alueellisissa ilmastomalleissa

Alueellisten ilmastomallien vaakasuuntainen erottelukyky on globaaleja malleja huomattavasti tarkempi, minkä vuoksi niillä on useita käyttökohteita ilmastonmuutoksen vaikutusten arvioinnissa. Tässä Pro Gradu – työssä tutkittiin alueellisten ilmastomallien tuottamia sademääräsimulaatioita sekä sadehavaintoaineistoja Euroopassa. Aineistona käytettiin ENSEMBLES-hankkeen tarjoamia 10 alueellista ilmastosimulaatiota, kahta hilamuotoista havaintoaineistoa sekä Ilmatieteen laitoksen sadeasemahavaintoja. Aineisto oli päiväkohtaista. Vuositasolla ilmastomallit ovat pääsääntöisesti sademäärää yliennustavia, mutta harha vaihtelee alueiden ja vuodenaikojen kesken. Osa tästä harhasta selittyy kuitenkin sillä, että havaintoaineistoihin sisältyy tyypillisesti sademäärän mittaustapahtumasta aiheutuva virhe. Alueellisten simulaatioiden harha pyritään minimoimaan kun halutaan kvantifioida tulevaisuuden sademääriä ilmastomallitulosten avulla. Tutkimuksessa sovellettiin tähän tarkoitettua empiiristä korjausmenetelmää tapauskohtaisella testialueella Suomessa. Korjausmenetelmä huomioi sadetapahtumien harhan niiden intensiteetin mukaan, jolloin se periaatteessa soveltuu paremmin myös rankkasateiden korjaamiseen. Korjausmenetelmässä harhan riippuvuus sadetapahtuman intensiteetistä oletetaan skenaariojaksolla samaksi kuin vertailujaksolla. Edellytyksenä korjausmenetelmän käytölle on se, että sadetapahtumien intensiteettijakauma simulaatioaineistoissa on kohtuullisen lähellä havaittua jakaumaa. Korjausmenetelmä parantaa sademäärän vuodenaikaiskeskiarvoja tarkastelualueella vertailujaksolla, vuoden kokonaissadekertymän harhan suuruus aineiston keskiarvossa on vain 7 mm. Koska sadetapahtumien intensiteettijakauma muuttuu simulaatioissa vertailu- ja skenaariojaksojen välillä, korjausmenetelmä vaikuttaa kuitenkin sademäärän muutoksen suuruuteen. Lisäksi menetelmän vaikutus sademäärän muutokseen jakautuu epätasaisesti sadetapahtuman intensiteetistä riippuen: menetelmä pienentää rankkasateiden kertymien muutosta, mutta kasvattaa sitä tavallisten sadetapahtumien osalta. Rankkasadetapahtumien erilliskäsittely korjausmenetelmässä aiheuttaa sen, että korjatusta sadetapahtumien intensiteettijakaumasta tulee epäjatkuva riippumatta siitä, mikä tarkastelujakso on kyseessä. Tässä työssä käytetty korjausmenetelmä ei ole ainoa laatuaan, perinteisesti mallitulosten korjaamiseen on käytetty vakiokertoimiin perustuvaa menetelmää kaikille sadetapahtumille. Korjausmenetelmien testaaminen on monien sovellusten kannalta tärkeää, mutta parhaan menetelmän löytäminen ei ole yksiselitteisen helppoa. Globaaleihin malleihin verrattuna alueellisten ilmastomallien ja korjausmenetelmien käyttö aiheuttavat molemmat ylimääräisen epävarmuuslähteen ilmastosimulaatioihin.

Tietokonetomografialaitteen annosmittauksissa käytettävän ionisaatiokammion kalibrointi

Tietokonetomografiatutkimusten (TT-tutkimusten) määrä on kasvussa, ja niistä aiheutuu merkittävä osa röntgentutkimusten väestölle aiheuttamasta kollektiivisesta annoksesta. Jotta potilaan saama säteilyannos voitaisiin määrittää tarkasti, luotettavasti ja vertailukelpoisesti, mittalaitteet on kalibroitava kansainväliseen mittausjärjestelmään jäljittyvällä tavalla käyttä-en sovittuja standardisäteilylaatuja. TT-laitteen annosmittauksissa käytetään erityisiä pitkiä sylinterin mallisia ionisaatiokammiota (TT-kammio eli DLP-kammio), joilla mitataan ilma-kerman ja pituuden tuloa. TT-kammioidenkalibrointiin ei ole ollut vakiintunutta menettelyä Säteilyturvakeskuksessa (STUK) eikä yleisesti hyväksyttyä kansainvälistä ohjetta. STUK osallistuu Kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n ohjeluonnoksen (2005) koekäyttöön. Tässä työssä oli tarkoitus testata ohjeessa esitettyä TT-kammioiden kalibrointimenetelmää sekä aikaisemmin julkaistuja menetelmiä, kehittää niiden pohjalta STUKille oma kalibrointikäytäntö ja testata sen toimintaa. Työssä tarkasteltiin erilaisia kalibrointimenetelmiä ja TT-kammion toimintaa. Mittausten perusteella päädyttiin menettelyyn, jossa kalibrointi suoritetaan mittaamalla TT-kammion vastetta kolmella erilevyisellä säteilykeilan lisärajoittimen aukolla. Kammion vasteen tasai-suutta voidaan lisäksi tutkia 1 cm:n levyisellä aukolla. Kalibrointikerroin saadaan vertaamal-la kalibroitavalla TT-kammiolla mitattuja tuloksia vertailumittarilla (mittanormaalilla) saa-tuihin tuloksiin. TT-kammion kalibroinnissa vertailumittari on sylinteri-ionisaatiokammio. Jos halutaan arvioida kalibroitavan TT-kammion efektiivistä pituutta, on kammion kalib-rointikerroin laskettava myös TT-kammiolla avokentässä tehtyjen mittausten perusteella. Työssä esitellyllä menetelmällä saadun kalibrointikertoimen kokonaisepävarmuus on 2,4 %. TT-laitteen annosmittaustilanteessa yksinkertaisinta on arvioida sopiva kalibrointikerroin pelkän putkijännitteen avulla, joka nostaa kalibrointikertoimesta tulokseen aiheutuvat kokonaisepävarmuuden 4,7 prosenttiin, sillä kalibrointikerroin riippuu sekä röntgenputken jännitteestä että säteilyn suodatuksesta.

The Spin-Statistics Relation and Noncommutative Quantum Field Theory

The efforts of combining quantum theory with general relativity have been great and marked by several successes. One field where progress has lately been made is the study of noncommutative quantum field theories that arise as a low energy limit in certain string theories. The idea of noncommutativity comes naturally when combining these two extremes and has profound implications on results widely accepted in traditional, commutative, theories. In this work I review the status of one of the most important connections in physics, the spin-statistics relation. The relation is deeply ingrained in our reality in that it gives us the structure for the periodic table and is of crucial importance for the stability of all matter. The dramatic effects of noncommutativity of space-time coordinates, mainly the loss of Lorentz invariance, call the spin-statistics relation into question. The spin-statistics theorem is first presented in its traditional setting, giving a clarifying proof starting from minimal requirements. Next the notion of noncommutativity is introduced and its implications studied. The discussion is essentially based on twisted Poincaré symmetry, the space-time symmetry of noncommutative quantum field theory. The controversial issue of microcausality in noncommutative quantum field theory is settled by showing for the first time that the light wedge microcausality condition is compatible with the twisted Poincaré symmetry. The spin-statistics relation is considered both from the point of view of braided statistics, and in the traditional Lagrangian formulation of Pauli, with the conclusion that Pauli's age-old theorem stands even this test so dramatic for the whole structure of space-time.

Quality of ALICE SSD modules revealed by electrical tests

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is an experiment at CERN (European Organization for Nuclear Research), where a heavy-ion detector is dedicated to exploit the unique physics potential of nucleus-nucleus interactions at LHC (Large Hadron Collider) energies. In a part of that project, 716 so-called type V4 modules were assembles in Detector Laboratory of Helsinki Institute of Physics during the years 2004 - 2006. Altogether over a million detector strips has made this project the most massive particle detector project in the science history of Finland. One ALICE SSD module consists of a double-sided silicon sensor, two hybrids containing 12 HAL25 front end readout chips and some passive components, such has resistors and capacitors. The components are connected together by TAB (Tape Automated Bonding) microcables. The components of the modules were tested in every assembly phase with comparable electrical tests to ensure the reliable functioning of the detectors and to plot the possible problems. The components were accepted or rejected by the limits confirmed by ALICE collaboration. This study is concentrating on the test results of framed chips, hybrids and modules. The total yield of the framed chips is 90.8%, hybrids 96.1% and modules 86.2%. The individual test results have been investigated in the light of the known error sources that appeared during the project. After solving the problems appearing during the learning-curve of the project, the material problems, such as defected chip cables and sensors, seemed to induce the most of the assembly rejections. The problems were typically seen in tests as too many individual channel failures. Instead, the bonding failures rarely caused the rejections of any component. One sensor type among three different sensor manufacturers has proven to have lower quality than the others. The sensors of this manufacturer are very noisy and their depletion voltage are usually outside of the specification given to the manufacturers. Reaching 95% assembling yield during the module production demonstrates that the assembly process has been highly successful.

A computational study of Compton profiles of water - methanol solutions

The molecular level structure of mixtures of water and alcohols is very complicated and has been under intense research in the recent past. Both experimental and computational methods have been used in the studies. One method for studying the intra- and intermolecular bindings in the mixtures is the use of the so called difference Compton profiles, which are a way to obtain information about changes in the electron wave functions. In the process of Compton scattering a photon scatters inelastically from an electron. The Compton profile that is obtained from the electron wave functions is directly proportional to the probability of photon scattering at a given energy to a given solid angle. In this work we develop a method to compute Compton profiles numerically for mixtures of liquids. In order to obtain the electronic wave functions necessary to calculate the Compton profiles we need some statistical information about atomic coordinates. Acquiring this using ab-initio molecular dynamics is beyond our computational capabilities and therefore we use classical molecular dynamics to model the movement of atoms in the mixture. We discuss the validity of the chosen method in view of the results obtained from the simulations. There are some difficulties in using classical molecular dynamics for the quantum mechanical calculations, but these can possibly be overcome by parameter tuning. According to the calculations clear differences can be seen in the Compton profiles of different mixtures. This prediction needs to be tested in experiments in order to find out whether the approximations made are valid.

Neutrinos and Thermal Leptogenesis

One of the unanswered questions of modern cosmology is the issue of baryogenesis. Why does the universe contain a huge amount of baryons but no antibaryons? What kind of a mechanism can produce this kind of an asymmetry? One theory to explain this problem is leptogenesis. In the theory right-handed neutrinos with heavy Majorana masses are added to the standard model. This addition introduces explicit lepton number violation to the theory. Instead of producing the baryon asymmetry directly, these heavy neutrinos decay in the early universe. If these decays are CP-violating, then they produce lepton number. This lepton number is then partially converted to baryon number by the electroweak sphaleron process. In this work we start by reviewing the current observational data on the amount of baryons in the universe. We also introduce Sakharov's conditions, which are the necessary criteria for any theory of baryogenesis. We review the current data on neutrino oscillation, and explain why this requires the existence of neutrino mass. We introduce the different kinds of mass terms which can be added for neutrinos, and explain how the see-saw mechanism naturally explains the observed mass scales for neutrinos motivating the addition of the Majorana mass term. After introducing leptogenesis qualitatively, we derive the Boltzmann equations governing leptogenesis, and give analytical approximations for them. Finally we review the numerical solutions for these equations, demonstrating the capability of leptogenesis to explain the observed baryon asymmetry. In the appendix simple Feynman rules are given for theories with interactions between both Dirac- and Majorana-fermions and these are applied at the tree level to calculate the parameters relevant for the theory.

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

Use of non-specific and specific interactions in the analysis of testosterone and related compounds by capillary electromigration techniques

Determination of testosterone and related compounds in body fluids is of utmost importance in doping control and the diagnosis of many diseases. Capillary electromigration techniques are a relatively new approach for steroid research. Owing to their electrical neutrality, however, separation of steroids by capillary electromigration techniques requires the use of charged electrolyte additives that interact with the steroids either specifically or non-specifically. The analysis of testosterone and related steroids by non-specific micellar electrokinetic chromatography (MEKC) was investigated in this study. The partial filling (PF) technique was employed, being suitable for detection by both ultraviolet spectrophotometry (UV) and electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS). Efficient, quantitative PF-MEKC UV methods for steroid standards were developed through the use of optimized pseudostationary phases comprising surfactants and cyclodextrins. PF-MEKC UV proved to be a more sensitive, efficient and repeatable method for the steroids than PF-MEKC ESI-MS. It was discovered that in PF-MEKC analyses of electrically neutral steroids, ESI-MS interfacing sets significant limitations not only on the chemistry affecting the ionization and detection processes, but also on the separation. The new PF-MEKC UV method was successfully employed in the determination of testosterone in male urine samples after microscale immunoaffinity solid-phase extraction (IA-SPE). The IA-SPE method, relying on specific interactions between testosterone and a recombinant anti-testosterone Fab fragment, is the first such method described for testosterone. Finally, new data for interactions between steroids and human and bovine serum albumins were obtained through the use of affinity capillary electrophoresis. A new algorithm for the calculation of association constants between proteins and neutral ligands is introduced.

Organic contaminants - occurrence and biological effects in the Baltic Sea

The Baltic Sea was studied with respect to selected organic contaminants and their ecotoxicology. The research consisted of analyses of total hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons, bile metabolites, hepatic ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) activity, polychlorinated biphenyls (PCBs) and organochlorine pesticides (OCPs). The contaminants were measured from various matrices, such as seawater, sediment and biota. The methods of analysis were evaluated and refined to comparability of the results. Polyaromatic hydrocarbons, originating from petroleum, are known to be among the most harmful substances to the marine environment. In Baltic subsurface water, seasonal dependence of the total hydrocarbon concentrations (THCs) was seen. Although concentrations of parent polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sediment surface varied between 64 and 5161 ug kg-1 (dw), concentrations above 860 ug kg-1 (dw) were found in all the studied sub-basins of the Baltic Sea. Concentrations commonly considered to substantially increase the risk of liver disease and reproductive impairment in fish, as well as potential effects on growth (above 1000 ug kg-1 dw), were found in all the studied sub-basins of the Baltic Sea except Kattegat. Thus, considerable pollution in sediments was indicated. In bivalves, the sums of 12 PAHs varied on a wet weight basis between 44 and 298 ug kg-1 (ww). The predominant PAHs were high molecular weight and the PAH profiles of M. balthica differed from those found in sediment from the same area. The PAHs were both pyrolytic and petrogenic in origin, and a contribution from diesel engines was found, which indicates pollution of the Baltic Sea, most likely caused by the steadily increasing shipping in the area. The HPLC methods developed for hepatic EROD activity and bile metabolite measurements proved to be fast and suitable for the study of biological effects. A mixed function oxygenase enzyme system in Baltic Sea perch collected from the Gulf of Finland was induced slightly: EROD activity in perch varied from 0.30 14 pmol min-1 mg-1 protein. This range can be considered to be comparable to background values. Recent PAH exposure was also indicated by enhanced levels (213 and 1149 ug kg-1) of the bile metabolite 1-hydroxypyrene. No correlation was indicated between hepatic EROD activity and concentration of 1-hydroxypyrene in bile. PCBs and OCPs were observed in Baltic Sea sediment, bivalves and herring. Sums of seven CBs in surface sediment (0 5 cm) ranged from 0.04 to 6.2 ug kg-1 (dw) and sums of three DDTs from 0.13 to 5.0 ug kg-1 (dw). The highest levels of contaminants were found in the most eastern area of the Gulf of Finland where the highest total carbon and nitrogen content was found and where the lowest percentage proportion of p,p -DDT was found. The highest concentrations of CBs and the lowest concentration of DDTs were found in M. balthica from the Gulf of Finland. The highest levels of DDTs were found in M. balthica from the Hanö Bight, which is the outer part of the Bornholm Basin close to the Swedish mainland. In bivalves, the sums of seven CBs were 72 108 ug kg-1 (lw) and the sums of three DDTs were 66 139 ug kg-1 (lw). Results from temporal trend monitoring showed, that during the period 1985 2002, the concentrations of seven CBs in two-year-old female Baltic herring were clearly decreased, from 9 16 to 2 6 ug kg-1 (ww) in the northern Baltic Sea. At the same time, concentrations of three DDTs declined from 8 15 to 1 5 ug kg-1 (ww). The total concentration of the fat-soluble CBs and DDTs in Baltic herring muscle was shown to be age-dependent; the average concentrations in ten-year-old Baltic herring were three to five-fold higher than in two-year-old herring. In Baltic herring and bivalves, as well as in surface sediments, CB 138 and CB153 were predominant among CBs, whereas among DDTs p,p'-DDD predominated in sediment and p,p'-DDE in bivalves and Baltic herring muscle. Baltic Sea sediments are potential sources of contaminants that may become available for bioaccumulation. Based on ecotoxicological assessment criteria, cause for concern regarding CBs in sediments was indicated for the Gulf of Finland and the northern Baltic Proper, and for the northern Baltic Sea regarding CBs in Baltic herring more than two years old. Statistical classification of selected organic contaminants indicated high-level contamination for p,p'-DDT, p,p'-DDD, p,p'-DDE, total DDTs, HCB, CB118 and CB153 in muscle of Baltic herring in age groups two to ten years; in contrast, concentrations of a-HCH and g-HCH were found to be moderate. The concentrations of DDTs and CBs in bivalves is sufficient to cause biological effects, and demonstrates that long-term biological effects are still possible in the case of DDTs in the Hanö Bight.

Enzyme molecular choreography : studies on soluble inorganic pyrophosphatases

Inorganic pyrophosphatases (PPases, EC 3.6.1.1) hydrolyse pyrophosphate in a reaction that provides the thermodynamic 'push' for many reactions in the cell, including DNA and protein synthesis. Soluble PPases can be classified into two families that differ completely in both sequence and structure. While Family I PPases are found in all kingdoms, family II PPases occur only in certain prokaryotes. The enzyme from baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae) is very well characterised both kinetically and structurally, but the exact mechanism has remained elusive. The enzyme uses divalent cations as cofactors; in vivo the metal is magnesium. Two metals are permanently bound to the enzyme, while two come with the substrate. The reaction cycle involves the activation of the nucleophilic oxygen and allows different pathways for product release. In this thesis I have solved the crystal structures of wild type yeast PPase and seven active site variants in the presence of the native cofactor magnesium. These structures explain the effects of the mutations and have allowed me to describe each intermediate along the catalytic pathway with a structure. Although establishing the ʻchoreographyʼ of the heavy atoms is an important step in understanding the mechanism, hydrogen atoms are crucial for the mechanism. The most unambiguous method to determine the positions of these hydrogen atoms is neutron crystallography. In order to determine the neutron structure of yeast PPase I perdeuterated the enzyme and grew large crystals of it. Since the crystals were not stable at ambient temperature, a cooling device was developed to allow neutron data collection. In order to investigate the structural changes during the reaction in real time by time-resolved crystallography a photolysable substrate precursor is needed. I synthesised a candidate molecule and characterised its photolysis kinetics, but unfortunately it is hydrolysed by both yeast and Thermotoga maritima PPases. The mechanism of Family II PPases is subtly different from Family I. The native metal cofactor is manganese instead of magnesium, but the metal activation is more complex because the metal ions that arrive with the substrate are magnesium different from those permanently bound to the enzyme. I determined the crystal structures of wild type Bacillus subtilis PPase with the inhibitor imidodiphosphate and an inactive H98Q variant with the substrate pyrophosphate. These structures revealed a new trimetal site that activates the nucleophile. I also determined that the metal ion sites were partially occupied by manganese and iron using anomalous X- ray scattering.