Spectral states and accretion geometries in Galactic black hole binaries

Black hole X-ray binaries, binary systems where matter from a companion star is accreted by a stellar mass black hole, thereby releasing enormous amounts of gravitational energy converted into radiation, are seen as strong X-ray sources in the sky. As a black hole can only be detected via its interaction with its surroundings, these binary systems provide important evidence for the existence of black holes. There are now at least twenty cases where the measured mass of the X-ray emitting compact object in a binary exceeds the upper limit for a neutron star, thus inferring the presence of a black hole. These binary systems serve as excellent laboratories not only to study the physics of accretion but also to test predictions of general relativity in strongly curved space time. An understanding of the accretion flow onto these, the most compact objects in our Universe, is therefore of great importance to physics. We are only now slowly beginning to understand the spectra and variability observed in these X-ray sources. During the last decade, a framework has developed that provides an interpretation of the spectral evolution as a function of changes in the physics and geometry of the accretion flow driven by a variable accretion rate. This doctoral thesis presents studies of two black hole binary systems, Cygnus~X-1 and GRS~1915+105, plus the possible black hole candidate Cygnus~X-3, and the results from an attempt to interpret their observed properties within this emerging framework. The main result presented in this thesis is an interpretation of the spectral variability in the enigmatic source Cygnus~X-3, including the nature and accretion geometry of its so-called hard spectral state. The results suggest that the compact object in this source, which has not been uniquely identified as a black hole on the basis of standard mass measurements, is most probably a massive, ~30 Msun, black hole, and thus the most massive black hole observed in a binary in our Galaxy so far. In addition, results concerning a possible observation of limit-cycle variability in the microquasar GRS~1915+105 are presented as well as evidence of `mini-hysteresis' in the extreme hard state of Cygnus X-1.

Effect of soil tillage on erosion and nutrient transport in plough layer runoff

Yhteenveto: Viljelymenetelmien vaikutus eroosioon ja ravinteiden huuhtoutumiseen

Landscape-scale soil erosion modelling and ecological restoration for a mountainous watershed in Sichuan, China

Sichuanissa Tiibetin ylängön metsäkato on pysähtynyt mutta eroosio-ongelmat jatkuvat Viikin tropiikki-instituutin tutkija Ping ZHOU kartoitti trooppisen metsänhoidon alaan kuuluvassa väitöskirjatyössään maaperän eroosioalttiutta ja sen riippuvuutta metsäkasvillisuudesta Jangtsen tärkeää sivuhaaraa Min-jokea ympäröivällä n. 7400 neliökilometrin suuruisella valuma-alueella Sichuanin Aba-piirikunnassa. Aineistonaan hän käytti muun muassa satelliittikartoitustietoja ja mittaustuloksia yli 600 maastokoealalta. Tutkimuksen nimi suomeksi on "Maaperän eroosion mallinnus ja vuoristoisen valuma-alueen ekologinen ennallistaminen Sichuanissa Kiinassa". Aikaisempien tutkimusten perusteella oli tiedossa että metsien häviäminen tällä alueella pysähtyi jo 1980-luvun alussa. Sen jälkeen on metsien pinta-ala hitaasti kasvanut etupäässä sen vuoksi, että teollinen puunhakkuu luonnonmetsissä kiellettiin kokonaan v. 1998 ja 25 astetta jyrkemmillä rinteillä myös maatalouden harjoittaminen on saatu lopetetuksi viljelijöille tarjottujen taloudellisten houkuttimien avulla. Täten myös pelto- ja laidunmaata on voitu ennallistaa metsäksi. Ping Zhou pystyi jakamaan 5700 metrin korkeuteen saakka kohoavan vuoristoalueen eroosioalttiudeltaan erilaisiin vyöhykkeisiin rinteen kaltevuuden, sademäärän, kasvipeitteen ja maalajin perusteella. Noin 15 prosentilla tutkitun valuma-alueen pinta-alasta, lähinnä Min-joen pääuomaa ympäröivillä jyrkillä rinteillä, eroosioriski oli suuri tai erittäin suuri. Eri tyyppisellä kasvillisuudella oli hyvin erilainen vaikutus eroosioalttiuteen, ja myös alueen sijainti vuoriston eri korkeuksilla vaikutti eroosioon. Säästyneet lähes luonnontilaiset havumetsät, joita on etupäässä vuoriston ylimmissä osissa 2600-4000 metrin korkeudella, edistävät tehokkaasti metsän luontaista uudistumista ja levittäytymistä vaurioituneille alueille. Säilyneiden metsien puulajikoostumus antoi tutkimuksessa mahdollisuuden ennustaa metsien tulevaa kehitystä koko tutkitulla valuma-alueella sen eri korkeusvyöhykkeissä ja eri maaperätyypeillä. Ennallistamisen kannalta ongelmallisimpia olivat alueet joilta metsäpeite oli lähinnä puiden teollisen hakkuun vuoksi kokonaan hävinnyt ja joilla maaperä yleisesti oli eroosion pahoin kuluttama. Näillä alueilla ei ole tehty juuri mitään uudistamis- tai ennallistamistoimenpiteitä. Niillä metsien ennallistaminen vaatii myös puiden tai pensaiden istuttamista. Tähän sopivia ovat erityisesti ilmakehän typpeä sitovat lajit, joista alueella kasvaa luontaisena mm. sama tyrnilaji joka esiintyy myös Suomessa. Työssä tutkittiin yli kahdeksankymmenen paikallisen luontaisen puulajin (joista peräti noin kolmannes on havupuulajeja) ekologisia ominaisuuksia ja soveltuvuutta metsien ennallistamiseen. Avainasemassa työn onnistumisen kannalta ovat nyt paikalliset asukkaat, joiden maankäytön muutokset ovat jo selvästi edistänet luonnonmetsän ennalleen palautumista. Suomen Akatemia rahoitti vuosina 2004-2006 VITRI:n tutkimushanketta, josta Ping Zhou'n väitöskirjatyö muodosti keskeisen osan. Kenttätyö Sichuanissa avasi mahdollisuuden hedelmälliseen monitieteiseen yhteistyöhön ja tutkijavaihtoon Kiinan tiedeakatemian alaisen Chengdun biologiainstituutin (CIB) kanssa; tämä tieteellinen kanssakäyminen jatkuu edelleen.

Natural regeneration and ecological succession in Pinus kesiya watershed plantations in northern Thailand : Implications on plantation management

Establishment of Pinus kesiya Roy. ex Gord. plantations in Thailand began in the 1960s by the Royal Forest Department. The aim was to reforest abandoned swidden areas and grasslands in order to reduce erosion and to produce timber and fuel wood. Today there are about 150, 000 ha of P. kesiya plantations in northern Thailand. Most of these plantations cannot be harvested due to a national logging ban. Previous studies have suggested that Pinus kesiya plantations posses a capability as a foster environment for native broadleaved tree species, but little is known about the extent of regeneration in these plantations. The general aim of the study was to clarify the extent of forest regeneration and interactions behind it in Pinus kesiya plantations of the Ping River basin, northern Thailand. Based on the results of this study and previous literature, forest management proposals were produced for the area studied. In four different pine plantation areas, a total of seven plantations were assessed using systematic data collection with clustered circular sample plots. Vegetation and environmental data were statistically analysed, so as to recognise the key factors affecting regeneration. Regeneration had occurred in all plantations studied. Regeneration of broadleaved trees was negatively affected by forest fire and canopy coverage. A high basal area of mature broadleaved trees affected the regeneration process positively. Forest fire disturbance had a strong effect also on plantation structure and species composition. Because of an unclear future forest management setting as regards forest laws in Thailand, a management system that enables various future utilisation possibilities and emphasises local participation is recommended for P. kesiya watershed platations of northern Thailand.

Pannus invasion into cartilage and bone in rheumatoid arthritis

Rheumatoid arthritis is the most common of all types of arthritis and despite of intensive research etiology of the disease remains unclear. Distinctive features of rheumatic arthritis comprise continuous inflammation of synovium, in which synovial membrane expands on cartilage leading to pannus tissue formation. Pannus formation, appearance of proteolytic enzymes and osteoclast formation cause articular cartilage and bone destruction, which lead to erosions and permanent joint damage. Proteolytic pathways play major roles in the development of tissue lesions in rheumatoid arthritis. Degradation of extracellular matrix proteins is essential to pannus formation and invasion. Matrix metalloproteinases (MMP) form a large proteolytic enzyme family and in rheumatoid arthritis they contribute to pannus invasion by degrading extracellular matrix and to joint destruction by directly degrading the cartilage. MMP-1 and MMP-3 are shown to be increased during cell invasion and also involved in cartilage destruction. Increase of many cytokines has been observed in rheumatoid arthritis, especially TNF-α and IL-1β are studied in synovial tissue and are involved in rheumatoid inflammation and degradation of cartilage. Underlying bone resorption requires first demineralization of bone matrix with acid secreted by osteoclasts, which exposes the collagen-rich matrix for degradation. Cathepsin K is the best known enzyme involved in bone matrix degradation, however deficiency of this protein in pycnodysostosis patient did not prevent bone erosion and on the contrary pannus tissue invading to bone did not expressed much cathepsin K. These indicate that other proteinases are involved in bone degradation, perhaps also via their capability to replace the role of other enzymes especially in diseases like pycnodysostosis or during medication e.g. using cathepsin K inhibitors. Multinuclear osteoclasts are formed also in pannus tissue, which enable the invasion into underlying bone matrix. Pannus tissue express a receptor activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), an essential factor for osteoclast differentiation and a disintegrin and a metalloproteinase 8 (ADAM8), an osteoclast-activating factors, involved in formation of osteoclast-like giant cells by promoting fusion of mononuclear precursor cells. The understanding of pannus invasion and degradation of extracellular matrix in rheumatic arthritis will open us new more specific methods to prevent this destructive joint disease.

Interatomic potentials for fusion reactor material simulations

Fusion energy is a clean and safe solution for the intricate question of how to produce non-polluting and sustainable energy for the constantly growing population. The fusion process does not result in any harmful waste or green-house gases, since small amounts of helium is the only bi-product that is produced when using the hydrogen isotopes deuterium and tritium as fuel. Moreover, deuterium is abundant in seawater and tritium can be bred from lithium, a common metal in the Earth's crust, rendering the fuel reservoirs practically bottomless. Due to its enormous mass, the Sun has been able to utilize fusion as its main energy source ever since it was born. But here on Earth, we must find other means to achieve the same. Inertial fusion involving powerful lasers and thermonuclear fusion employing extreme temperatures are examples of successful methods. However, these have yet to produce more energy than they consume. In thermonuclear fusion, the fuel is held inside a tokamak, which is a doughnut-shaped chamber with strong magnets wrapped around it. Once the fuel is heated up, it is controlled with the help of these magnets, since the required temperatures (over 100 million degrees C) will separate the electrons from the nuclei, forming a plasma. Once the fusion reactions occur, excess binding energy is released as energetic neutrons, which are absorbed in water in order to produce steam that runs turbines. Keeping the power losses from the plasma low, thus allowing for a high number of reactions, is a challenge. Another challenge is related to the reactor materials, since the confinement of the plasma particles is not perfect, resulting in particle bombardment of the reactor walls and structures. Material erosion and activation as well as plasma contamination are expected. Adding to this, the high energy neutrons will cause radiation damage in the materials, causing, for instance, swelling and embrittlement. In this thesis, the behaviour of a material situated in a fusion reactor was studied using molecular dynamics simulations. Simulations of processes in the next generation fusion reactor ITER include the reactor materials beryllium, carbon and tungsten as well as the plasma hydrogen isotopes. This means that interaction models, {\it i.e. interatomic potentials}, for this complicated quaternary system are needed. The task of finding such potentials is nonetheless nearly at its end, since models for the beryllium-carbon-hydrogen interactions were constructed in this thesis and as a continuation of that work, a beryllium-tungsten model is under development. These potentials are combinable with the earlier tungsten-carbon-hydrogen ones. The potentials were used to explain the chemical sputtering of beryllium due to deuterium plasma exposure. During experiments, a large fraction of the sputtered beryllium atoms were observed to be released as BeD molecules, and the simulations identified the swift chemical sputtering mechanism, previously not believed to be important in metals, as the underlying mechanism. Radiation damage in the reactor structural materials vanadium, iron and iron chromium, as well as in the wall material tungsten and the mixed alloy tungsten carbide, was also studied in this thesis. Interatomic potentials for vanadium, tungsten and iron were modified to be better suited for simulating collision cascades that are formed during particle irradiation, and the potential features affecting the resulting primary damage were identified. Including the often neglected electronic effects in the simulations was also shown to have an impact on the damage. With proper tuning of the electron-phonon interaction strength, experimentally measured quantities related to ion-beam mixing in iron could be reproduced. The damage in tungsten carbide alloys showed elemental asymmetry, as the major part of the damage consisted of carbon defects. On the other hand, modelling the damage in the iron chromium alloy, essentially representing steel, showed that small additions of chromium do not noticeably affect the primary damage in iron. Since a complete assessment of the response of a material in a future full-scale fusion reactor is not achievable using only experimental techniques, molecular dynamics simulations are of vital help. This thesis has not only provided insight into complicated reactor processes and improved current methods, but also offered tools for further simulations. It is therefore an important step towards making fusion energy more than a future goal.

Kesämökkikäynnin virkistysarvon määrittäminen matkakustannusmenetelmällä

Tämän tutkielman tarkoituksena on määrittää kesämökkikäynnin virkistysarvo. Aihetta ei ole aikaisemmin tutkittu, vaikka kesämökkeily on merkittävä osa suomalaista elämää. Kesämökkikäynnin virkistysarvo tarkoittaa hyötyä, jonka yksilö saa kesämökillä virkistäytymisestä. Virkistäytyminen kesämökillä pitää sisällään kaiken kesämökillä ja sen ympäristössä tapahtuvan harrastamisen ja rentoutumisen. Koska ympäristö on tärkeässä osassa mökillä virkistäytymisessä, tässä tutkielmassa on lisäksi tarkoitus tutkia, kuinka mökkiympäristön ominaisuudet vaikuttavat virkistysarvoon. Tarkasteltavina ympäristön ominaisuuksina ovat virkistäytymisen estävät leväkukinnot ja mökin rannattomuus. Koska mökkeily toisaalta myös kuormittaa ympäristöä, tutkielmassa tutkitaan myös, kuinka sähköistys, ympäristöä kuormittava kesämökin ominaisuus, vaikuttaa virkistysarvoon. Virkistysarvo on markkinaton hyöty, joten sen määrittämiseen on käytettävä jotain markkinattomien hyödykkeiden arvottamismenetelmää. Tässä työssä arvottaminen tapahtuu matkakustannusmenetelmällä, jota käytetään yleisesti ympäristön tarjoamien virkistyspalveluiden taloudelliseen arvottamiseen. Kesämökkikäyntien kysyntää kuvaava matkakustannusmallin ekonometrinen mallintaminen suoritetaan negatiivisella binomimallilla. Tutkielman tulosten mukaan noin neljän päivän pituinen käynti sähköistetyllä kesämökillä, jossa on ranta eivätkä levät häiritse virkistäytymistä, tuottaa 167-205 euron suuruisen virkistyshyödyn. Virkistäytymisen estävät leväkukinnot laskevat arvoa 40 prosentilla ja mökin rannattomuus 45 prosentilla. Käynti sähköistetyllä mökillä tuottaa 3-5 prosenttia korkeamman virkistyshyödyn kuin käynti sähköistämättömällä mökillä. Suomessa kesän aikana tehtävien mökkikäyntien yhteenlaskettu virkistyshyöty on 430-530 miljoonaa, jos mökillä on ranta, jossa levistä ei ole haittaa. Häiritsevät leväkukinnot laskevat yhteenlaskettua virkistyshyötyä 30 miljoonalla ja rannattomuus 10-20 miljoonalla. Sähköistys nostaa yhteenlaskettua virkistyshyötyä 20-30 miljoonalla eurolla.

Luonnonhoitopellot maatalousympäristön luonnon monimuotoisuuden edistämisessä

Luonnonhoitopellot lisättiin uutena vapaaehtoisena toimenpiteenä maatalouden ympäristötukeen vuonna 2009. Luonnonhoitopeltoihin kuuluvat monivuotiset nurmipellot sekä niitty-, riista- ja maisemakasveilla kylvetyt pellot. Toimenpiteen avulla pyritään suojelemaan ja lisäämään maatalousympäristön luonnon monimuotoisuutta sekä muun muassa vähentämään maatalouden ravinnehuuhtoumia. Vuonna 2010 luonnonhoitopeltoja oli yli seitsemän prosenttia Suomen viljelyalasta. Luonnonhoitopeltojen ympäristövaikutusten arvioiminen ja toimenpiteen kehittäminen on tärkeää, jotta toimenpiteeseen käytettävät varat eivät valu hukkaan. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millainen merkitys luonnonhoitopelloilla on maatalousympäristön monimuotoisuuden kannalta; millaiset luonnonhoitopellot ovat monimuotoisuuden kannalta arvokkaimpia; ja kuinka toimenpidettä kannattaa kehittää. Kysymyksiin pyrittiin vastaamaan tutkimalla putkilokasvilajistoa, -lajirikkautta ja kasvillisuuden rakennetta erilaisilla luonnonhoitopelloilla, sekä vertaamalla luonnonhoitopeltojen kasvillisuutta pientareiden ja niittyjen kasvillisuuteen. Maastotyö luonnonhoitopelloilla tehtiin kesällä 2010 Uudenmaan ja Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskusalueilla. Lisäksi tutkimuslohkoista kerättiin tietoja viljelijäkyselyn kautta. Niittypellot osoittautuivat tutkimuksessa lajirikkaimmaksi luonnonhoitopeltotyypiksi, mikä selittynee lähinnä sillä, että ne kylvetään heikosti kilpailukykyisellä siemenseoksella. Nurmi- ja niittypelloilla lohkon viljavuus korreloi negatiivisesti lajirikkauden kanssa. Lajikoostumukseltaan kaikki luonnonhoitopellot eroavat toisistaan sekä maatalousympäristön puoliluonnontilaisista elinympäristöistä, ja lisäävät siten monimuotoisuutta maisematasolla. Luonnonhoitopeltojen lajisto ei ole kuitenkaan suojelun kannalta erityisen arvokasta. Toimenpiteen maatalousympäristöä rikastuttavaa vaikutusta vähentää, että tällä hetkellä valtaosa luonnonhoitopelloista on monivuotisia nurmipeltoja. Luonnonhoitopeltojen siemenseoksia kehittämällä, perustamis- ja hoitomenetelmiä tutkimalla ja neuvontaan panostamalla voidaan lisätä luonnonhoitopeltojen arvoa niin luonnon, viljelijän kuin yhteiskunnankin kannalta.

Mast cells and endothelial erosion: Implications for human atherothrombotic disease

More than 40% of all deaths in Finland are caused by atherosclerosis. The complications of atherosclerosis are due to either detachment of the luminal endothelium (erosion) or rupture of the fibrous cap of an atherosclerotic plaque (rupture). As a result, a thrombus is formed at the site of the intimal lesion. Indeed, erosions cause roughly 40% of sudden atherothrombotic deaths and 25% of all atherothrombotic deaths. Erosions are overrepresented in young subjects, diabetics, smokers and women. This dissertation focuses on endothelial erosion. Endothelial erosions were studied in the context of arterial grafting and vascular inflammation. Special attention was given to the role of intimal mast cells and the methodological viewpoints of reliable identification of endothelial erosions. Mast cells are inflammatory cells mostly known for their ability to cause allergic symptoms. In addition to occurring in skin and mucosal surfaces, mast cells are abundant in arterial intima and adventitia. In this study, mast cells were found to associate with endothelial erosions in non-lesional and atherosclerotic human coronary arteries. Thus, mast cells may participate in atherogenesis at the initial phases of the disease process already. We also showed that the mast cell proteases tryptase, chymase, and cathepsin G are all capable of cleaving molecules essential for endothelial cell-to-cell and cell-to-extracellular matrix interactions, such as VE-cadherin and fibronectin. Symptom-causing carotid plaques were found to contain more inflammatory cells, especially mast cells, than non-symptom-causing plaques. Furthermore, the atherogenic serum lipid profile and the degree of carotid stenosis turned out to correlate with the density of carotid plaque mast cells. Apoptotic and proliferating cells were more abundant in non-symptom causing plaques (active renewal of endothelial cells), but erosions were larger in symptom-causing plaques (capacity of endothelial regeneration exceeded). The process of identifying endothelial erosions with immunostainings has been ambiguous, since both endothelial cells and platelets express largely the same antigens. This may have caused inaccurate interpretations of the presence of endothelial erosion. In the last substudy of this thesis we developed a double immunostaining method for simultaneous identification of endothelial cells and platelets. This method enables more reliable identification of endothelial erosions.

Sticking and erosion at carbon-containing plasma-facing materials in fusion reactors

Controlled nuclear fusion is one of the most promising sources of energy for the future. Before this goal can be achieved, one must be able to control the enormous energy densities which are present in the core plasma in a fusion reactor. In order to be able to predict the evolution and thereby the lifetime of different plasma facing materials under reactor-relevant conditions, the interaction of atoms and molecules with plasma first wall surfaces have to be studied in detail. In this thesis, the fundamental sticking and erosion processes of carbon-based materials, the nature of hydrocarbon species released from plasma-facing surfaces, and the evolution of the components under cumulative bombardment by atoms and molecules have been investigated by means of molecular dynamics simulations using both analytic potentials and a semi-empirical tight-binding method. The sticking cross-section of CH3 radicals at unsaturated carbon sites at diamond (111) surfaces is observed to decrease with increasing angle of incidence, a dependence which can be described by a simple geometrical model. The simulations furthermore show the sticking cross-section of CH3 radicals to be strongly dependent on the local neighborhood of the unsaturated carbon site. The erosion of amorphous hydrogenated carbon surfaces by helium, neon, and argon ions in combination with hydrogen at energies ranging from 2 to 10 eV is studied using both non-cumulative and cumulative bombardment simulations. The results show no significant differences between sputtering yields obtained from bombardment simulations with different noble gas ions. The final simulation cells from the 5 and 10 eV ion bombardment simulations, however, show marked differences in surface morphology. In further simulations the behavior of amorphous hydrogenated carbon surfaces under bombardment with D^+, D^+2, and D^+3 ions in the energy range from 2 to 30 eV has been investigated. The total chemical sputtering yields indicate that molecular projectiles lead to larger sputtering yields than atomic projectiles. Finally, the effect of hydrogen ion bombardment of both crystalline and amorphous tungsten carbide surfaces is studied. Prolonged bombardment is found to lead to the formation of an amorphous tungsten carbide layer, regardless of the initial structure of the sample. In agreement with experiment, preferential sputtering of carbon is observed in both the cumulative and non-cumulative simulations