Aerosolien vaikutus säteilynkulkuun ilmakehässä

Aerosolien vaikutusta säteilynkulkuun ilmakehässä tutkitaan muun muassa niiden ilmastonmuutokseen vaikuttavien ominaisuuksien sekä erilaisten maanpuolustukseen liittyvien sovellusten vuoksi. Tässä työssä keskityttiin aerosolien aiheuttamaan infrapunasäteilyn vaimenemiseen horisontaalisella polulla. Mitattuja vaimennuksen arvoja verrattiin mallinnettuihin ja etsittiin syitä niiden välisiin eroihin. Työn alussa tutustuttiin aerosolien tyypillisiin ominaisuuksiin sekä säteilyn ja aerosolien väliseen vuorovaikutukseen. Tämän jälkeen esiteltiin mittauksissa käytetyt laitteet sekä mallinnuksessa käytetty ohjelmisto ja tiedonkäsittely. Työssä tutkittiin mitattujen ja mallinnettujen aerosolivaimennuskertoimien käyttäytymistä eri sääpametrien (näkyvyys, suhteellinen kosteus ja lämpötila) suhteen. Tutkimuksessa tarkasteltiin myös mitattuja kokojakaumia ja niitä verrattiin mallinnuksessa käytettyihin. Mittalaitteiden epävarmuuksien ja käyttökelpoisten mittaustulosten vähyyden johdosta täyttä varmuutta mittauksien tarkkuudesta ei saavutettu. Mittausten epävarmuudesta huolimatta kävi ilmi, että mitatut kokojakaumat eivät täysin vastaa mallin käyttämiä kokojakaumia. Tulevaisuudessa mittauksia pitää jatkaa, jotta tiedon analysointiin saadaan tarpeeksi kelvollisia mittaustuloksia ja mittalaitteiden luotettavuus selviää.

Aerosolianalysaattorin jatkokehitys

Kiinnostus pienhiukkasia kohtaan on kasvanut voimakkaasti, koska niiden haitallisista terveysvaikutuksista on saatu uutta tietoa. Asiasta on julkaistu lukuisia tieteellisiä tutkimuksia ja viimeisimpien tietojan mukaan kohonneilla pienhiukkaspitoisuuksilla on vaikutusta jopa sydän- ja verisuonisairauksiin. Vakavien terveysvaikutusten ja kiristyvän lainsäädännön vuoksi uusille reaaliaikaisille hiukkasmittalaitteille on kova kysyntä. Tämä työ on osa suurempaa Dekati Oy:ssä toteutettua Autotest –projektia, jossa kehitetään hiukkasmittalaitteita autoteollisuudelle. Tavoitteena työssä oli kehittää hiukkasmittalaitteeseen varaaja, jossa olisi huomattavasti pienemmät pienhiukkashäviöt kuin sähköisen alipaineimpaktorin ELPI:n varaajassa. Lainsäädäntö pohjautuu nykyään pelkästään massapitoisuuden mittaamiseen eikä reaaliaikaisesti massapitoisuutta mittaavaa laitetta ole olemassa. Tässä työssä testattiin uutta hiukkasten tiheydenmääritysmenetelmää, jonka avulla on mahdollista mitata massapitoisuutta reaaliaikaisesti. Suunniteltu varaaja on helppokäyttöinen ja varaustehokkuudeltaan odotusten mukainen, mutta pienhiukkashäviöt ovat edelleen tavoiteltua suuremmat vaikkakin pienemmät kuin ELPI:ssä. Tämä johtuu osittain tilavaraushäviöistä ja osittain koronan sähkökentän vaikutuksesta näytekanavaan. Tiheysmittauksesta saatiin lupaavia tuloksia, mutta jatkokehitystä vaaditaan häiriöiden suodattamiseksi ja kuormituskestävyyden parantamiseksi.

Ilmakehan hiukkasmaisten ioniyhdisteiden online-mittaus

Ilmakehän hiukkaset aiheuttavat merkittäviä ympäristö- ja terveyshaittoja, joihin vaikuttaa hiukkasten kemiallinen koostumus. Hiukkasten kemiallisesta koostumuksesta voidaan hankkia tietoa hiukkasmittauksilla. Työn tavoitteena oli rakentaa jatkuvatoiminen mittausjärjestelmä, jolla voidaan mitata ilmakehän aerosolihiukkasten ionipitoisuuksia. Mittausjärjestelmä koostuu virtuaali-impaktorista, denuderputkista, PILS-laitteesta ja ionikromatografista. Näyteilmavirtaus kulkee ensin esierottimena toimivan virtuaali-impaktorm lävitse, joka poistaa aerodynaamiselta halkaisijaltaan 1,3 um:a suuremmat hiukkaset ilmavirtauksesta. Näyte, joka sisältää 1,3 um:a pienemmät hiukkaset kulkee virtuaali-impaktorin jälkeen kahden 1 % KOH-liuoksella käsitellyn denuderputken lävitse, joilla poistetaan hiukkasmääritystä häiritsevät happamat kaasut näytevirtauksesta. Denuderputkien jälkeen ilmavirtaus saapuu PILS-laitteeseen, jossa hiukkaset kasvatetaan vesihöyryn avulla aerosolipisaroiksi, törmäytetään keräyslevyyn ja sekoitetaan sen jälkeen sisäistä standardiainetta (NaBr) sisältavään kuljetusliuokseen. Kuljetusliuoksen ja aerosolipisaroiden seoksesta koostuva näyteliuos johdetaan PILS-laitteesta ionikromatografille analysoitavaksi. Mittausjärjestelmään liitetyllä ionikromatografilla voidaan analysoida neljä näytetta tunnissa. Näytteistä määritettävät anionit olivat sulfaatti, nitraatti ja kloridi. PILS-mittausjärjestelmää testattiin keräämällä hiukkasnäytteitä samanaikaisesti PILS-laitteella sekä virtuaali-impaktorilla tai suodatinkeräimellä ja vertaamalla saatuja aerosolihiukkasten sulfaattipitoisuuksia keskenään. Testeissa kerättiin joko VOAG-laitteella tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia tai laboratorion huoneilmaa. PILS-mittausjärjestelmällä mitatut sulfaattipitoisuudet olivat 2-20 % pienempia kuin suodatinkeraimella mitatut, kun kerättiin keinotekoisesti tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia. Huoneilmaa kerättäessä PILS-mittausjärjestelmällä saadut pitoisuudet olivat noin 10 % pienempiä kuin suodatinkeräystulokset. Koetulokset osoittivat, että mittausjärjestelmällä saadaan analysoiduksi luotettavasti hiukkasten sulfaattipitoisuudet.

Adaptive MCMC methods with applications in environmental and geophysical models

This work presents new, efficient Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation methods for statistical analysis in various modelling applications. When using MCMC methods, the model is simulated repeatedly to explore the probability distribution describing the uncertainties in model parameters and predictions. In adaptive MCMC methods based on the Metropolis-Hastings algorithm, the proposal distribution needed by the algorithm learns from the target distribution as the simulation proceeds. Adaptive MCMC methods have been subject of intensive research lately, as they open a way for essentially easier use of the methodology. The lack of user-friendly computer programs has been a main obstacle for wider acceptance of the methods. This work provides two new adaptive MCMC methods: DRAM and AARJ. The DRAM method has been built especially to work in high dimensional and non-linear problems. The AARJ method is an extension to DRAM for model selection problems, where the mathematical formulation of the model is uncertain and we want simultaneously to fit several different models to the same observations. The methods were developed while keeping in mind the needs of modelling applications typical in environmental sciences. The development work has been pursued while working with several application projects. The applications presented in this work are: a winter time oxygen concentration model for Lake Tuusulanjärvi and adaptive control of the aerator; a nutrition model for Lake Pyhäjärvi and lake management planning; validation of the algorithms of the GOMOS ozone remote sensing instrument on board the Envisat satellite of European Space Agency and the study of the effects of aerosol model selection on the GOMOS algorithm.

On state and parameter estimation in chaotic systems

State-of-the-art predictions of atmospheric states rely on large-scale numerical models of chaotic systems. This dissertation studies numerical methods for state and parameter estimation in such systems. The motivation comes from weather and climate models and a methodological perspective is adopted. The dissertation comprises three sections: state estimation, parameter estimation and chemical data assimilation with real atmospheric satellite data. In the state estimation part of this dissertation, a new filtering technique based on a combination of ensemble and variational Kalman filtering approaches, is presented, experimented and discussed. This new filter is developed for large-scale Kalman filtering applications. In the parameter estimation part, three different techniques for parameter estimation in chaotic systems are considered. The methods are studied using the parameterized Lorenz 95 system, which is a benchmark model for data assimilation. In addition, a dilemma related to the uniqueness of weather and climate model closure parameters is discussed. In the data-oriented part of this dissertation, data from the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) satellite instrument are considered and an alternative algorithm to retrieve atmospheric parameters from the measurements is presented. The validation study presents first global comparisons between two unique satellite-borne datasets of vertical profiles of nitrogen trioxide (NO3), retrieved using GOMOS and Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III (SAGE III) satellite instruments. The GOMOS NO3 observations are also considered in a chemical state estimation study in order to retrieve stratospheric temperature profiles. The main result of this dissertation is the consideration of likelihood calculations via Kalman filtering outputs. The concept has previously been used together with stochastic differential equations and in time series analysis. In this work, the concept is applied to chaotic dynamical systems and used together with Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for statistical analysis. In particular, this methodology is advocated for use in numerical weather prediction (NWP) and climate model applications. In addition, the concept is shown to be useful in estimating the filter-specific parameters related, e.g., to model error covariance matrix parameters.

Marketing of fire suppression systems: customer value and institutional aspects

The paper studied marketing of automatic fire suppression systems from the perspectives of customer value and institutions. The object of the study was research the special features of the sales and marketing of fire suppression systems, and find some practical applications for sales, and for lobbying of a new fire suppression technology. The theoretical background of the study was in the customer value literature and the theoretical concept of institutional entrepreneurship. The research was conducted as an electronic survey for three different groups of respondents; end customers, solution integrators, and re-sellers. From the answers was gathered generalisations about the customer value assessment and communication of the value related to the sales and marketing processes of the fire suppression systems. In addition, there was observed manners to receive information about the systems, and effects caused by institutions to the decision making of the different parties involved. The findings of the study support companies that are launching a new safety technology to the market focus their marketing, and help to understand institutional forces that are affecting to a safety related product.