Two views on interstellar dust: near-infrared scattering and polarized thermal dust emission

Interstellar clouds are not featureless, but show quite complex internal structures of filaments and clumps when observed with high enough resolution. These structures have been generated by 1) turbulent motions driven mainly by supernovae, 2) magnetic fields working on the ions and, through neutral-ion collisions, on neutral gas as well, and 3) self-gravity pulling a dense clump together to form a new star. The study of the cloud structure gives us information on the relative importance of each of these mechanisms, and helps us to gain a better understanding of the details of the star formation process. Interstellar dust is often used as a tracer for the interstellar gas which forms the bulk of the interstellar matter. Some of the methods that are used to derive the column density are summarized in this thesis. A new method, which uses the scattered light to map the column density in large fields with high spatial resolution, is introduced. This thesis also takes a look at the grain alignment with respect to the magnetic fields. The aligned grains give rise to the polarization of starlight and dust emission, thus revealing the magnetic field. The alignment mechanisms have been debated for the last half century. The strongest candidate at present is the radiative torques mechanism. In the first four papers included in this thesis, the scattered light method of column density estimation is formulated, tested in simulations, and finally used to obtain a column density map from observations. They demonstrate that the scattered light method is a very useful and reliable tool in column density estimation, and is able to provide higher resolution than the near-infrared color excess method. These two methods are complementary. The derived column density maps are also used to gain information on the dust emissivity within the observed cloud. The two final papers present simulations of polarized thermal dust emission assuming that the alignment happens by the radiative torques mechanism. We show that the radiative torques can explain the observed decline of the polarization degree towards dense cores. Furthermore, the results indicate that the dense cores themselves might not contribute significantly to the polarized signal, and hence one needs to be careful when interpreting the observations and deriving the magnetic field.

Development of biogenic VOC emission inventories for the boreal forest

Luonnosta haihtuvat orgaaniset yhdisteet, joita pääsee ilmaan etenkin metsistä, voivat vaikuttaa paikalliseen ja alueelliseen ilmanlaatuun, koska ne reagoivat ilmakehässä. Niiden reaktiotuotteet voivat myös osallistua uusien hiukkasten muodostumiseen ja kasvuun, millä voi olla vaikutusta ilmakehän säteilytaseeseen ja tätä kautta myös ilmastoon. Hiukkaset absorboivat ja sirottavat auringon säteilyä ja maapallon lämpösäteilyä minkä lisäksi ne vaikuttavat pilvien säteilyominaisuuksiin, määrään ja elinikään. Koko maapallon mittakaavassa luonnosta tulevat hiilivetypäästöt ylittävät ihmistoiminnan aiheuttamat päästöt moninkertaisesti. Tämän vuoksi luonnon päästöjen arviointi on tärkeää kun halutaan kehittää tehokkaita ilmanlaatu- ja ilmastostrategioita. Tämä tutkimus käsittelee boreaalisen metsän hiilivetypäästöjä. Boreaalinen metsä eli pohjoinen havumetsä on suurin maanpäällinen ekosysteemi, ja se ulottuu lähes yhtenäisenä nauhana koko pohjoisen pallonpuoliskon ympäri. Sille on tyypillistä puulajien suhteellisen pieni kirjo sekä olosuhteiden ja kasvun voimakkaat vuodenaikaisvaihtelut. Työssä on tutkittu Suomen yleisimmän boreaalisen puun eli männyn hiilivetypäästöjen vuodenaikaisvaihtelua sekä päästöjen riippuvuutta lämpötilasta ja valosta. Saatuja tuloksia on käytetty yhdessä muiden boreaalisilla puilla tehtyjen päästömittaustulosten kanssa Suomen metsiä varten kehitetyssä päästömallissa. Malli perustuu lisäksi maankäyttötietoihin, suomen metsille kehitettyyn luokitukseen ja meteorologisiin tietoihin, joiden avulla se laskee metsien hiilivetypäästöt kasvukauden aikana. Suomen metsien päästöt koostuvat koko kasvukauden ajan suurelta osin alfa- ja beta-pineenistä sekä delta-kareenista. Kesällä ja syksyllä päästöissä on myös paljon sabineenia, jota tulee etenkin lehtipuista. Päästöt seuraavat lämpötilan keskimääräistä vaihtelua, ovat suurimmillaan maan eteläosissa ja laskevat tasaisesti pohjoiseen siirryttäessä. Metsän isopreenipäästö on suhteellisen pieni – Suomessa tärkein isopreeniä päästävä puu on vähäpäästöinen kuusi, koska runsaspäästöisten pajun ja haavan osuus metsän lehtimassasta on hyvin pieni. Tässä työssä on myös laskettu ensimmäinen arvio metsän seskviterpeenipäästöistä. Seskviterpeenipäästöt alkavat Juhannuksen jälkeen ja ovat kasvukauden aikana samaa suuruusluokkaa kuin isopreenipäästöt. Vuositasolla Suomen metsien hiilivetypäästöt ovat noin kaksinkertaiset ihmistoiminnasta aiheutuviin päästöihin verrattuna.