Theoretical modeling of ionospheric electrodynamics including induction effects

This thesis deals with theoretical modeling of the electrodynamics of auroral ionospheres. In the five research articles forming the main part of the thesis we have concentrated on two main themes: Development of new data-analysis techniques and study of inductive phenomena in the ionospheric electrodynamics. The introductory part of the thesis provides a background for these new results and places them in the wider context of ionospheric research. In this thesis we have developed a new tool (called 1D SECS) for analysing ground based magnetic measurements from a 1-dimensional magnetometer chain (usually aligned in the North-South direction) and a new method for obtaining ionospheric electric field from combined ground based magnetic measurements and estimated ionospheric electric conductance. Both these methods are based on earlier work, but contain important new features: 1D SECS respects the spherical geometry of large scale ionospheric electrojet systems and due to an innovative way of implementing boundary conditions the new method for obtaining electric fields can be applied also at local scale studies. These new calculation methods have been tested using both simulated and real data. The tests indicate that the new methods are more reliable than the previous techniques. Inductive phenomena are intimately related to temporal changes in electric currents. As the large scale ionospheric current systems change relatively slowly, in time scales of several minutes or hours, inductive effects are usually assumed to be negligible. However, during the past ten years, it has been realised that induction can play an important part in some ionospheric phenomena. In this thesis we have studied the role of inductive electric fields and currents in ionospheric electrodynamics. We have formulated the induction problem so that only ionospheric electric parameters are used in the calculations. This is in contrast to previous studies, which require knowledge of the magnetospheric-ionosphere coupling. We have applied our technique to several realistic models of typical auroral phenomena. The results indicate that inductive electric fields and currents are locally important during the most dynamical phenomena (like the westward travelling surge, WTS). In these situations induction may locally contribute up to 20-30% of the total ionospheric electric field and currents. Inductive phenomena do also change the field-aligned currents flowing between the ionosphere and magnetosphere, thus modifying the coupling between the two regions.

Modeling of Surface UV Radiation Using Satellite Data

Solar UV radiation is harmful for life on planet Earth, but fortunately the atmospheric oxygen and ozone absorb almost entirely the most energetic UVC radiation photons. However, part of the UVB radiation and much of the UVA radiation reaches the surface of the Earth, and affect human health, environment, materials and drive atmospheric and aquatic photochemical processes. In order to quantify these effects and processes there is a need for ground-based UV measurements and radiative transfer modeling to estimate the amounts of UV radiation reaching the biosphere. Satellite measurements with their near-global spatial coverage and long-term data conti-nuity offer an attractive option for estimation of the surface UV radiation. This work focuses on radiative transfer theory based methods used for estimation of the UV radiation reaching the surface of the Earth. The objectives of the thesis were to implement the surface UV algorithm originally developed at NASA Goddard Space Flight Center for estimation of the surface UV irradiance from the meas-urements of the Dutch-Finnish built Ozone Monitoring Instrument (OMI), to improve the original surface UV algorithm especially in relation with snow cover, to validate the OMI-derived daily surface UV doses against ground-based measurements, and to demonstrate how the satellite-derived surface UV data can be used to study the effects of the UV radiation. The thesis consists of seven original papers and a summary. The summary includes an introduction of the OMI instrument, a review of the methods used for modeling of the surface UV using satellite data as well as the con-clusions of the main results of the original papers. The first two papers describe the algorithm used for estimation of the surface UV amounts from the OMI measurements as well as the unique Very Fast Delivery processing system developed for processing of the OMI data received at the Sodankylä satellite data centre. The third and the fourth papers present algorithm improvements related to the surface UV albedo of the snow-covered land. Fifth paper presents the results of the comparison of the OMI-derived daily erythemal doses with those calculated from the ground-based measurement data. It gives an estimate of the expected accuracy of the OMI-derived sur-face UV doses for various atmospheric and other conditions, and discusses the causes of the differences between the satellite-derived and ground-based data. The last two papers demonstrate the use of the satellite-derived sur-face UV data. Sixth paper presents an assessment of the photochemical decomposition rates in aquatic environment. Seventh paper presents use of satellite-derived daily surface UV doses for planning of the outdoor material weathering tests.

11β-Hydroxysteroid dehydrogenase inhibitors and selectivity modeling of 11β-HSDs

11β-hydroksisteroididehydrogenaasientsyymit (11β-HSD) 1 ja 2 säätelevät kortisonin ja kortisolin määrää kudoksissa. 11β-HSD1 -entsyymin ylimäärä erityisesti viskeraalisessa rasvakudoksessa aiheuttaa metaboliseen oireyhtymän klassisia oireita, mikä tarjoaa mahdollisuuden metabolisen oireyhtymän hoitoon 11β-HSD1 -entsyymin selektiivisellä estämisellä. 11β-HSD2 -entsyymin inhibitio aiheuttaa kortisonivälitteisen mineralokortikoidireseptorien aktivoitumisen, mikä puolestaan johtaa hypertensiivisiin haittavaikutuksiin. Haittavaikutuksista huolimatta 11β-HSD2 -entsyymin estäminen saattaa olla hyödyllistä tilanteissa, joissa halutaan nostaa kortisolin määrä elimistössä. Lukuisia selektiivisiä 11β-HSD1 inhibiittoreita on kehitetty, mutta 11β-HSD2-inhibiittoreita on raportoitu vähemmän. Ero näiden kahden isotsyymin aktiivisen kohdan välillä on myös tuntematon, mikä vaikeuttaa selektiivisten inhibiittoreiden kehittämistä kummallekin entsyymille. Tällä työllä oli kaksi tarkoitusta: (1) löytää ero 11β-HSD entsyymien välillä ja (2) kehittää farmakoforimalli, jota voitaisiin käyttää selektiivisten 11β-HSD2 -inhibiittoreiden virtuaaliseulontaan. Ongelmaa lähestyttiin tietokoneavusteisesti: homologimallinnuksella, pienmolekyylien telakoinnilla proteiiniin, ligandipohjaisella farmakoforimallinnuksella ja virtuaaliseulonnalla. Homologimallinnukseen käytettiin SwissModeler -ohjelmaa, ja luotu malli oli hyvin päällekäinaseteltavissa niin templaattinsa (17β-HSD1) kuin 11β-HSD1 -entsyymin kanssa. Eroa entsyymien välillä ei löytynyt tarkastelemalla päällekäinaseteltuja entsyymejä. Seitsemän yhdistettä, joista kuusi on 11β-HSD2 -selektiivisiä, telakoitiin molempiin entsyymeihin käyttäen ohjelmaa GOLD. 11β-HSD1 -entsyymiin yhdisteet kiinnittyivät kuten suurin osa 11β-HSD1 -selektiivisistä tai epäselektiivisistä inhibiittoreista, kun taas 11β-HSD2 -entsyymiin kaikki yhdisteet olivat telakoituneet käänteisesti. Tällainen sitoutumistapa mahdollistaa vetysidokset Ser310:een ja Asn171:een, aminohappoihin, jotka olivat nähtävissä vain 11β-HSD2 -entsyymissä. Farmakoforimallinnukseen käytettiin ohjelmaa LigandScout3.0, jolla ajettiin myös virtuaaliseulonnat. Luodut kaksi farmakoforimallia, jotka perustuivat aiemmin telakointiinkin käytettyihin kuuteen 11β-HSD2 -selektiiviseen yhdisteeseen, koostuivat kuudesta ominaisuudesta (vetysidosakseptori, vetysidosdonori ja hydrofobinen), ja kieltoalueista. 11β-HSD2 -selektiivisyyden kannalta tärkeimmät ominaisuudet ovat vetysidosakseptori, joka voi muodostaa sidoksen Ser310 kanssa ja vetysidosdonori sen vieressä. Tälle vetysidosdonorille ei löytynyt vuorovaikutusparia 11β-HSD2-mallista. Sopivasti proteiiniin orientoitunut vesimolekyyli voisi kuitenkin olla sopiva ratkaisu puuttuvalle vuorovaikutusparille. Koska molemmat farmakoforimallit löysivät 11β-HSD2 -selektiivisiä yhdisteitä ja jättivät epäselektiivisiä pois testiseulonnassa, käytettiin molempia malleja Innsbruckin yliopistossa säilytettävistä yhdisteistä (2700 kappaletta) koostetun tietokannan seulontaan. Molemmista seulonnoista löytyneistä hiteistä valittiin yhteensä kymmenen kappaletta, jotka lähetettiin biologisiin testeihin. Biologisien testien tulokset vahvistavat lopullisesti sen kuinka hyvin luodut mallit edustavat todellisuudessa 11β-HSD2 -selektiivisyyttä.