On ion escape from Venus

This doctoral thesis is about the solar wind influence on the atmosphere of the planet Venus. A numerical plasma simulation model was developed for the interaction between Venus and the solar wind to study the erosion of charged particles from the Venus upper atmosphere. The developed model is a hybrid simulation where ions are treated as particles and electrons are modelled as a fluid. The simulation was used to study the solar wind induced ion escape from Venus as observed by the European Space Agency's Venus Express and NASA's Pioneer Venus Orbiter spacecraft. Especially, observations made by the ASPERA-4 particle instrument onboard Venus Express were studied. The thesis consists of an introductory part and four peer-reviewed articles published in scientific journals. In the introduction Venus is presented as one of the terrestrial planets in the Solar System and the main findings of the work are discussed within the wider context of planetary physics. Venus is the closest neighbouring planet to the Earth and the most earthlike planet in its size and mass orbiting the Sun. Whereas the atmosphere of the Earth consists mainly of nitrogen and oxygen, Venus has a hot carbon dioxide atmosphere, which is dominated by the greenhouse effect. Venus has all of its water in the atmosphere, which is only a fraction of the Earth's total water supply. Since planets developed presumably in similar conditions in the young Solar System, why Venus and Earth became so different in many respects? One important feature of Venus is that the planet does not have an intrinsic magnetic field. This makes it possible for the solar wind, a continuous stream of charged particles from the Sun, to flow close to Venus and to pick up ions from the planet's upper atmosphere. The strong intrinsic magnetic field of the Earth dominates the terrestrial magnetosphere and deflects the solar wind flow far away from the atmosphere. The region around Venus where the planet's atmosphere interacts with the solar wind is called the plasma environment or the induced magnetosphere. Main findings of the work include new knowledge about the movement of escaping planetary ions in the Venusian induced magnetosphere. Further, the developed simulation model was used to study how the solar wind conditions affect the ion escape from Venus. Especially, the global three-dimensional structure of the Venusian particle and magnetic environment was studied. The results help to interpret spacecraft observations around the planet. Finally, several remaining questions were identified, which could potentially improve our knowledge of the Venus ion escape and guide the future development of planetary plasma simulations.

On the use of weather radar for mesoscale applications in northern conditions

Mesoscale weather phenomena, such as the sea breeze circulation or lake effect snow bands, are typically too large to be observed at one point, yet too small to be caught in a traditional network of weather stations. Hence, the weather radar is one of the best tools for observing, analyzing and understanding their behavior and development. A weather radar network is a complex system, which has many structural and technical features to be tuned, from the location of each radar to the number of pulses averaged in the signal processing. These design parameters have no universal optimal values, but their selection depends on the nature of the weather phenomena to be monitored as well as on the applications for which the data will be used. The priorities and critical values are different for forest fire forecasting, aviation weather service or the planning of snow ploughing, to name a few radar-based applications. The main objective of the work performed within this thesis has been to combine knowledge of technical properties of the radar systems and our understanding of weather conditions in order to produce better applications able to efficiently support decision making in service duties for modern society related to weather and safety in northern conditions. When a new application is developed, it must be tested against ground truth . Two new verification approaches for radar-based hail estimates are introduced in this thesis. For mesoscale applications, finding the representative reference can be challenging since these phenomena are by definition difficult to catch with surface observations. Hence, almost any valuable information, which can be distilled from unconventional data sources such as newspapers and holiday shots is welcome. However, as important as getting data is to obtain estimates of data quality, and to judge to what extent the two disparate information sources can be compared. The presented new applications do not rely on radar data alone, but ingest information from auxiliary sources such as temperature fields. The author concludes that in the future the radar will continue to be a key source of data and information especially when used together in an effective way with other meteorological data.

Chemical Characterization of Urban Background Aerosol Using Online And Filter Methods

In order to evaluate the influence of ambient aerosol particles on cloud formation, climate and human health, detailed information about the concentration and composition of ambient aerosol particles is needed. The dura-tion of aerosol formation, growth and removal processes in the atmosphere range from minutes to hours, which highlights the need for high-time-resolution data in order to understand the underlying processes. This thesis focuses on characterization of ambient levels, size distributions and sources of water-soluble organic carbon (WSOC) in ambient aerosols. The results show that in the location of this study typically 50-60 % of organic carbon in fine particles is water-soluble. The amount of WSOC was observed to increase as aerosols age, likely due to further oxidation of organic compounds. In the boreal region the main sources of WSOC were biomass burning during the winter and secondary aerosol formation during the summer. WSOC was mainly attributed to a fine particle mode between 0.1 - 1 μm, although different size distributions were measured for different sources. The WSOC concentrations and size distributions had a clear seasonal variation. Another main focus of this thesis was to test and further develop the high-time-resolution methods for chemical characterization of ambient aerosol particles. The concentrations of the main chemical components (ions, OC, EC) of ambient aerosol particles were measured online during a year-long intensive measurement campaign conducted on the SMEAR III station in Southern Finland. The results were compared to the results of traditional filter collections in order to study sampling artifacts and limitations related to each method. To achieve better a time resolution for the WSOC and ion measurements, a particle-into-liquid sampler (PILS) was coupled with a total organic carbon analyzer (TOC) and two ion chromatographs (IC). The PILS-TOC-IC provided important data about diurnal variations and short-time plumes, which cannot be resolved from the filter samples. In summary, the measurements made for this thesis provide new information on the concentrations, size distribu-tions and sources of WSOC in ambient aerosol particles in the boreal region. The analytical and collection me-thods needed for the online characterization of aerosol chemical composition were further developed in order to provide more reliable high-time-resolution measurements.

Marie Curie Symposium 8.-9.12.2011 Helsingissä : tiivistelmät

Suomalaista radiokemiaa esittelevä Marie Curie Symposium järjestetään Helsingissä 8.-9.12.2011 osana Kansainvälistä Kemian Vuotta 2011. Samalla juhlistetaan Marie Curien sata vuotta sitten, 10.12.1911, saamaa kemian Nobel-palkintoa. Marie Curie, maailman ensimmäinen radiokemisti, sai Nobel-palkintonsa luonnossa olevien radioaktiivisten alkuaineiden poloniumin ja radiumin keksimisestä. Tämä raportti sisältää symposiumissa esitettyjen tieteellisten tiedonantojen tiivistelmät

The Radiation, snow characteristics and albedo at summit (RASCALS) expedition report

The RASCALS expedition spent over three weeks at the Summit camp research station near the top of the Greenland Ice Sheet during polar summer 2010. During this time, detailed measurements of the physical and optical properties of Arctic perennial snow were carried out concurrently with snow albedo and reflectance measurements. Favorable weather conditions during the campaign enabled the collection of a large dataset on Arctic snow albedo and associated quantities for use in developing and validating remote sensing algorithms for snow albedo using satellites. This report provides a description of the measurements and conditions during the campaign. RASCALS-retkikunnan tehtävä oli tutkia Grönlannin mannerjäätikön lumen fysikaalisia ja optisia ominaisuuksia sekä Auringon valon vuorovaikutusta lumen kanssa. Retikunta vietti hieman yli kolme viikkoa mannerjäätikön keskellä sijaitsevalla Summit Camp-tutkimusasemalla tehden mittauksia. Sääolot suosivat kampanjaa, jonka seurauksena onnistuttiin keräämään laaja ja monipuolinen tietoaineisto mannerjäätikön lumen pintakerroksesta ja eritoten lumen heijastavuuden (albedon)käyttäytymisestä. Aineisto on hyödyllinen kehitettäessä ja varmennettaessa lumen albedon kaukokartoitusmenetelmiä satelliiteilla.

Satelliitti-instrumentti IASI ja sen sovellukset sääpalvelulle

IASI on vuodesta 2007 käytössä ollut satelliitti-instrumentti Metop-polaarisatelliitissa. IASI-mittauksista johdettuja lopputuotteita ovat mm. lämpötilan ja kosteuden pystyprofiilit, pilven ylärajan lämpötila ja paine sekä eri hivenkaasujen pitoisuudet. Tämä työ on alkua IASI:n käyttöönotolle Ilmatieteen laitoksella. Työssä selvitetään IASI:n lämpötilaprofiileiden ja pilven ylärajan paineen soveltuvuutta sääpalvelulle vertailemalla niitä jo käytössä oleviin sääpalvelun työkaluihin. IASI-mittauksista johdettuja lämpötilaprofiileita verrataan Ilmatieteen laitoksen operatiivisiin pintaluotauksiin. Lisäksi tarkastellaan IASI:n lämpötilaprofiileiden vaikutusta paikallisen analyysi- ja ennustustyökalu LAPS:in lämpötila-analyysiin. IASI:n pilven ylärajan lämpötiloja verrataan AVHRR-radiometrista johdettuihin pilven ylärajan lämpötiloihin. IASI:sta ja AVHRR:stä johdetut keskimääräiset lämpötilat olivat lähes samat alapilville. Yläpilville ja osittain läpinäkyville cirrus-pilville lämpötilaero oli noin 5 Celsius-astetta. IASI:n lämpötilaluotaukset osoittautuivat käyttökelpoisiksi etenkin keski- ja ylätroposfäärissä (350 - 600 hPa), jossa IASI:n antama lämpötila erosi pintaluotauksen lämpötilasta vain noin +-1 Celsius-astetta. IASI:n lämpötilaluotausten suurin ongelma on mittausten katkeaminen pilven ylärajaan. IASI-luotauksilla oli suuri vaikutus LAPS-lämpötila-analyysiin mallin koko alueella, mutta vertailuaineiston puutteessa ei voida varmasti sanoa onko vaikutus positiivinen vai negatiivinen. Tulokset ovat lupaavia. IASI:n lämpötilaluotaukset ja pilven ylärajan lämpötila vaikuttavat käyttökelpoisilta sääpalvelun tarpeisiin.

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.

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.

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

Metrology of gaseous air pollutants

The need for mutual recognition of accurate measurement results made by competent laboratories has been very widely accepted at the international level e.g., at the World Trade Organization. A partial solution to the problem was made by the International Committee for Weights and Measures (CIPM) in setting up the Mutual Recognition Arrangement (CIPM MRA), which was signed by National Metrology Institutes (NMI) around the world. The core idea of the CIPM MRA is to have global arrangements for the mutual acceptance of the calibration certificates of National Metrology Institutes. The CIPM MRA covers all the fields of science and technology for which NMIs have their national standards. The infrastructure for the metrology of the gaseous compounds carbon monoxide (CO), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO2), sulphur dioxide (SO2) and ozone (O3) has been constructed at the national level at the Finnish Meteorological Institute (FMI). The calibration laboratory at the FMI was constructed for providing calibration services for air quality measurements and to fulfil the requirements of a metrology laboratory. The laboratory successfully participated, with good results, in the first comparison project, which was aimed at defining the state of the art in the preparation and analysis of the gas standards used by European metrology institutes and calibration laboratories in the field of air quality. To confirm the competence of the laboratory, the international external surveillance study was conducted at the laboratory. Based on the evidence, the Centre for Metrology and Accreditation (MIKES) designated the calibration laboratory at the Finnish Meteorological Institute (FMI) as a National Standard Laboratory in the field of air quality. With this designation, the MIKES-FMI Standards Laboratory became a member of CIPM MRA, and Finland was brought into the internationally-accepted forum in the field of gas metrology. The concept of ‘once measured - everywhere accepted’ is the leading theme of the CIPM MRA. The calibration service of the MIKES-FMI Standards Laboratory realizes the SI traceability system for the gas components, and is constructed to enable it to meet the requirements of the European air quality directives. In addition, all the relevant uncertainty sources that influence the measurement results have been evaluated, and the uncertainty budgets for the measurement results have been created.