Topological Quantum Computation - An Analysis of an Anyon Model Based on Quantum Double Symmetries

There exists various suggestions for building a functional and a fault-tolerant large-scale quantum computer. Topological quantum computation is a more exotic suggestion, which makes use of the properties of quasiparticles manifest only in certain two-dimensional systems. These so called anyons exhibit topological degrees of freedom, which, in principle, can be used to execute quantum computation with intrinsic fault-tolerance. This feature is the main incentive to study topological quantum computation. The objective of this thesis is to provide an accessible introduction to the theory. In this thesis one has considered the theory of anyons arising in two-dimensional quantum mechanical systems, which are described by gauge theories based on so called quantum double symmetries. The quasiparticles are shown to exhibit interactions and carry quantum numbers, which are both of topological nature. Particularly, it is found that the addition of the quantum numbers is not unique, but that the fusion of the quasiparticles is described by a non-trivial fusion algebra. It is discussed how this property can be used to encode quantum information in a manner which is intrinsically protected from decoherence and how one could, in principle, perform quantum computation by braiding the quasiparticles. As an example of the presented general discussion, the particle spectrum and the fusion algebra of an anyon model based on the gauge group S_3 are explicitly derived. The fusion algebra is found to branch into multiple proper subalgebras and the simplest one of them is chosen as a model for an illustrative demonstration. The different steps of a topological quantum computation are outlined and the computational power of the model is assessed. It turns out that the chosen model is not universal for quantum computation. However, because the objective was a demonstration of the theory with explicit calculations, none of the other more complicated fusion subalgebras were considered. Studying their applicability for quantum computation could be a topic of further research.

Lentosääennusteiden merkitys

Tässä työssä selvitetään lentosääennusteiden käyttöä lennon suunnittelun ja toteutuksen perusteena. Tuodaan esille määräyksiä ja lentosäätietojen käyttöä kaikissa lennon vaiheissa. Perehdytään ennustettujen olosuhteiden ja ennusteiden laadun merkitykseen lentojen toteutuksessa. Selvitetään lentosääennusteisiin liittyviä lentoliikenteen kustannuksia. Työn aineistona käytettiin joulukuu 2006 - heinäkuu 2007 välisenä aikana eri pituisina jaksoina kerättyä 185 liikennelennon lennonsuunnittelumateriaalia ja 126 satunnaisella otoksella otettuja Suomen GAFOR -ennusteita. Liikennelennot toteutettiin Suomen ja Euroopan alueella. Työssä todennettiin METAR –lentopaikkasanoman avulla TAF -lentopaikka-, TREND -laskeutumis-, GAFOR -yleisilmailuennusteita. Yleisestä sääpalvelusta saatua materiaalia käsiteltiin EXCEL –taulukkolaskentaohjelmalla Lentosääennusteita käsiteltiin usean eri käyttäjäryhmän kannalta. Reittilentomittauksilla tutkittiin SIGMET –varoituspalvelun, SWC –merkitsevän sään ja yläilmakehän tuulen sekä lämpötilan ennusteita. TAF –pilvikorkeusennusteiden keskimääräinen hyvyysluku oli lähes sama pilvikorkeudesta riippumatta. Suhteellisen hyvissä olosuhteissa toimivat käyttäjät saivat ennusteista paljon hyötyä. Vaakanäkyvyysennusteiden keskimääräinen hyvyysluku oli suurempi hyvissä kuin huonoissa olosuhteissa. Huonojen olosuhteiden ennusteet olivat lentotoiminnalle enemmän harmillisia kuin hyödyllisiä. Ennustustyö olisi tarvinnut apuvälinettä. Tutkittiin TREND –ennusteiden ominaista osuvuutta. NOSIG –ennuste oli suhteellisen usein julkaistu vaikka sitä seurasi olosuhteen muutos. BECMG -ennuste toteutui pääsääntöisesti ennusteajan alkupuolella. Ajoittaisten olosuhdemuutosten aikana TEMPO -ennusteita julkaistiin hyvin, mutta ennusteen osuvuus vaihteli. Tässä muodossa jaettu ennustetieto ei palvele kovin hyvin päätöstilannetta, jossa on arvioitava polttoaineen riittävyys lennon loppuosalle. GAFOR -pintatuuliennusteet olivat onnistuneita kuten TAF -ennusteissa. Vaakanäkyvyys- ja pilvikorkeusolosuhteissa vertailupisteissä oli 10% havainnoista ennustettua huonompaa olosuhdetta, jos käytettiin vain GAFOR –ennusteen perusosaa lennonsuunnittelussa ja 6% havainnoista, jos käytettiin koko ennustetta. Ilma-aluksen päällikön on valvottava näkölento-olosuhteiden kehitystä lennon aikana ja varmistettava aina näkölento-olosuhteinen lentoreitti laskupaikalle. Lentosääennusteet ovat osa lentotoimintaa mahdollistavaa järjestelmää. Ennusteet hallitsevat vaihtelevasti olosuhteita ja luonnollisesti aiheuttavat ongelmallisia tilanteita. Käyttäjiä sitovat määräykset on luotu, jotta toiminta olisi turvallista. Laadukkaita ennusteita tarvitaan isoilla liikennepaikoilla lentoliikenteen kapasiteetin hallintaan. Pienillä lentopaikoilla laitevarustus ei vielä takaa lentotoimintaa kaikissa olosuhteissa. Näkölentotoimintaa harjoitetaan jatkuvasti sekä hyvissä että kohtalaisen huonoissa olosuhteissa.

Puutarhakasvien talvehtiminen Manner-Suomen ilmastossa - nyt ja tulevaisuudessa

Tämä työ käsittelee Suomen ilmastoa puutarhakasvien näkökulmasta painopisteen ollessa lämpöilmastollisissa piirteissä ja kasvien talvehtimiseen liittyvissä tekijöissä. Työssä esitellään puutarhakasvien, erityisesti monivuotisten puuvartisten kasvien selviytymiseen vaikuttavia tekijöitä, ja näiden pohjalta kartoitetaan ilmastollisia olosuhteita eri puolilla Suomea viimeisen noin viiden vuosikymmenen ajalta. Lisäksi pyritään arvioimaan tuleville vuosikymmenille ennustetun lämpenemisen aiheuttamia muutoksia Suomen puutarhatuotannon menestymismahdollisuuksissa. Nykyilmaston osalta tarkastelu perustuu vuosien 1960-2006 päivittäisiin lumi- ja lämpötilahavaintoihin kymmenellä havaintopaikalla lounaisrannikolta Koillismaalle. Puutarhakasvien kannalta hyödyllisiä ja haitallisia ilmaston piirteitä pyrittiin kuvaamaan erilaisilla indekseillä, ns. kynnystapahtumien ajankohdilla ja erinäisten raja-arvojen ylittymisillä. Tulevaisuuden jaksojen 2010-39 ja 2040-69 osalta tilannetta tarkasteltiin A2- ja B1-skenaariossa. Työssä käytettiin ns. delta-menetelmää, missä 19 ilmastomallin keskiarvona saadut arviot kuukausikeskilämpötilojen noususta lisättiin havaintopaikkojen päivittäisiin vuosien 1971-2000 lämpötilahavaintoihin. Olosuhteet puutarhakasvien menestymiselle vaihtelevat paljon tarkastelussa olleella kolmelle kasvimaantieteelliselle vyöhykkeelle sijoittuvalla alueella. 1990-luvun alusta lisääntyneet leudot talvet näkyvät hyvin talvehtimisoloja kuvaavissa muuttujissa. Toisaalta havaintopaikkojen pienilmastolliset tekijät korostuvat erityisesti alueiden hallatilanteita tarkasteltaessa. Tulevaisuuden osalta monien puutarhakasvien talven selviytymisedellytyksiin vaikuttavien tekijöiden voidaan odottaa yleisesti parantuvan ilmaston lämmetessä, tosin Suomen ilmastossa pakkasvahinkojen riski on silti olemassa. Toisaalta entisestään leudontuvat talvet lämpöjaksoineen tulevat lisäämään mahdollisuutta kasvien kylmänkestävyyden heikkenemisestä aiheutuville ongelmille. Myöhäisten hallojen esiintymisen aiheuttamat vahingot riippuvat niitä edeltäneen ajan kasvuolosuhteista. Tällöin kasvukauden alun ajankohdassa, sen alkupuolen lämpimyydessä ja hallojen esiintymisen ajankohdassa tapahtuvien muutosten nettovaikutus ratkaisee myöhäisten hallatilanteiden kukinnalle muodostavan riskin tulevaisuudessa. Tästä ei saatu yksiselitteisiä tuloksia tämän tutkimuksen puitteissa, sillä hallariskiä kuvaavan indeksin käyttäytyminen oli varsin epämääräistä.

Entsymaattisen hydrolyysin vaikutuksista mikrokiteisen selluloosan rakenteeseen

Cellulose can be used as a renewable raw material for energy production. The utilization requires degradation of cellulose into glucose, which can be done with the aid of enzymatic hydrolysis. In this thesis, various x-ray methods were used to characterize sub-micrometer changes in microcrystalline cellulose during enzymatic hydrolysis to clarify the process and factors slowering it. The methods included wide-angle x-ray scattering (WAXS), small-angle x-ray scattering (SAXS) and x-ray microtomography. In addition, the samples were studied with transmission electron microscopy (TEM). The studied samples were hydrolyzed by enzymes of the Trichoderma reesei species for 6, 24, and 75 hours, which corresponded to 31 %, 58 %, and 68 % degrees of hydrolysis, respectively. Freeze-dried hydrolysis residues were measured with WAXS, SAXS and microtomography, whereas some of them were re-wetted for the wet SAXS and TEM measurements. The microtomography measurements showed a clear decrease in particle size in scale of tens of micrometers. In all the TEM pictures similar cylindrical and partly ramified structures were observed, independent of the hydrolysis time. The SAXS results were ambiguous and partly imprecise, but showed a change in the structure of wet samples in scale of 10-30 nm. According to the WAXS results, the degrees of crystallinity and the crystal sizes remained the same. The gained results support the assuption, that the cellulosic particles are hydrolyzed mostly on their surface, since the enzymes are unable to penetrate into the nanopores of wet cellulose. The hydrolysis therefore proceeds quickly in easily accessible particles and leaves the unaccesible particles almost untouched. The structural changes observed in the SAXS measurements might correspond to slight loosening of the microfibril aggregates, which was seen only in the wet samples because of their different pore structure.

Stretching single DNA-molecules with temperature-stabilized optical tweezers

This thesis consists of two parts; in the first part we performed a single-molecule force extension measurement with 10kb long DNA-molecules from phage-λ to validate the calibration and single-molecule capability of our optical tweezers instrument. Fitting the worm-like chain interpolation formula to the data revealed that ca. 71% of the DNA tethers featured a contour length within ±15% of the expected value (3.38 µm). Only 25% of the found DNA had a persistence length between 30 and 60 nm. The correct value should be within 40 to 60 nm. In the second part we designed and built a precise temperature controller to remove thermal fluctuations that cause drifting of the optical trap. The controller uses feed-forward and PID (proportional-integral-derivative) feedback to achieve 1.58 mK precision and 0.3 K absolute accuracy. During a 5 min test run it reduced drifting of the trap from 1.4 nm/min in open-loop to 0.6 nm/min in closed-loop.

Aurinkotuulen dynaamisen paineen muutosten vaikutus ionosfäärin dynamiikkaan

Monissa viimeaikaisissa tutkimuksissa on tutkittu aurinkotuulen dynaamisen paineen vaikutusta revontulialueen hiukkaspresipitaatioon. Tutkimukset ovat kuitenkin perustuneet muutamaan yksittäiseen tapaukseen ja laskevan dynaamisen paineen vaikutuksia ei juuri ole tarkasteltu. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää suuremmasta statistiikasta aurinkotuulen dynaamisen paineen nousujen ja laskujen vaikutusta ionosfäärin dynamiikkaan. Paineen muutoksia etsittiin ACE:n mittausdatasta vuosilta 1998 2004 ja ionosfäärin vastetta näihin muutoksiin tutkittiin käyttäen IMAGE-magnetometriverkon tuottamaa magneettisen aktiivisuuden indeksiä (IE-indeksi). Tutkimuksen kohteeksi valittiin 286 painepulssia, joita edelsi ja seurasi tasaisen paineen jakso, sekä 171 vastaavaa paineen laskua (negatiivista painepulssia). Näiden paineen muutosten ionosfäärivastetta tutkittaessa käytettiin tilastollista superposed epoch -menetelmää. Tutkimuksen tulokseksi saatiin selvä positiivinen korrelaatio IE-indeksin ja aurinkotuulen dynaamisen paineen välillä. Korrelaatio on vähemmän selkeää paineen laskujen kuin nousujen yhteydessä. Tälle on useita mahdollisia selityksia: Tutkimusaineisto paineen laskuista oli suppeampi. Toisin kuin painepulsseihin, paineen laskuihin ei liittynyt aurinkotuulen nopeuden muutosta. Lisäksi IMF:n magnitudi kasvoi lähes kaikkien paineen laskujen aikana, joten magnitudin ja IE:n välinen positiivinen korrelaatio voisi peittää paineen laskun vaikutusta. Eteläisen IMF:n painepulssien aikana IE:n muutokset aiheutuivat enimmäkseen läntisen elektrojetin vahvistumisesta ja pohjoisen IMF:n aikana havaitut IE:n muutokset liittyivät enemmän itäiseen elektrojettiin. Aurinkotuulen dynaamisen paineen ja elektrojettien korrelaation selitykseksi tarjotaan ionosfääriin saapuvien kentänsuuntaisten virtojen välityksellä tapahtuvaa kytkentää aurinkotuuleen. IMF:n z-komponentin suunnalla oli odotetun merkittävä vaikutus IE:n yleiseen tasoon, mutta IE:n korrelaatio paineen muutosten kanssa oli samaa tasoa z-komponentin etumerkistä riippumatta. Myös IMF:n y-komponentti osoittautui merkittäväksi pohjoisen IMF:n aikana, sillä tällöin IE:n yleinen taso oli korkeampi ja paineen muutosten vaikutus paljon selkeämpi IMF:n y-komponentin ollessa positiivinen kuin negatiivinen.

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.

Mittauslaitteiston suunnittelu piidiodien vuotovirtamittauksiin matalissa lämpötiloissa

Tässä työssä on suunniteltu mittauslaitteisto ja toteutettu diodien vuotovirtamittaukset matalissa lämpötiloissa. Suunnittelun pääpaino oli tuottaa mittauslaitteisto, joka kestäisi mittausolosuhteitten matalan lämpötilan (80 K) ja toisaalta myös lämpötilavaihtelut huoneen lämpötilasta mataliin lämpötiloihin. Lisäksi mittauslaitteiston oli kestettävä myös tutkimusprojektin myöhemmissä vaiheissa mukaan tulevaa protonisäteilytystä, mikä asetti omat valintaperusteensa materiaaleille. Mittauslaitteiston kohinaa pyrittiin vaimentamaan kontaktipintojen kultapinnoitteilla ja kiinnittämällä huomiota virtajohtimien eristyksiin. Työssä mitattiin erilailla prosessoitujen piidiodien vuotovirtoja eri lämpötiloissa. Mitatut diodit olivat sekä etukäteen säteilytettyjä että säteilyttämättömiä ja työn yhtenä päämääränä oli verrata säteilytyksen vaikutuksia vuotovirran lämpötilakorrelaatioon. Diodien piimateriaaleja oli valmistettu magneettisella Czochralski-menetelmällä sekä Float Zone-menetelmällä, lisäksi osaa diodeista oli muokattu erilaisilla lämpökäsittelyillä parempien säteilynkesto-ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Mittauksissa diodin lämpötila laskettiin jäähdytyslaitteistolla systeemin minimilämpötilaan ja diodin ominaiskäyrä mitattiin välillä 0-450 V. Lämpötilaa nostettiin asteittain ja ominaiskäyrät mitattiin määrätyissä lämpötiloissa, minkä jälkeen tuloksia verrattiin teoreettisiin arvioihin vuotovirran lämpötilakäyttäytymisestä. Tulosten perusteella voidaan todeta teoreettisten arvojen vastaavan kokeellisia, mittauslaitteiston erottelukyvyn kynnykselle asti (10-11A), mutta tämän jälkeen mahdollinen lämpötilan laskun aiheuttama virranlasku hukkuu mittalaitteiston kohinan sekaan. Säteilytettyjen diodien kohdalla lämpötilan laskeminen madalsi vuotovirtaa 6 dekadia huoneenlämmöstä 190 K lämpötilaan, kunnes mittauskynnys ylittyi. Säteilyttämättömillä diodeilla vuotovirta oli jo huoneenlämpötilassa erittäin pientä ja lämpötilan laskiessa minimiarvoonsa vuotovirta pieneni n. 2 dekadia, kunnes mittalaitteiston mittatarkkuus tuli vastaan.

Suomen talviukkoset 2003-2007

Tutkimuksen tarkoitus on kartoittaa Suomen talviukkosten ominaisuuksia ja klimatologiaa. Tiedot Suomen talviukkosten klimatologista tutkimusta varten kerättiin mm. salamanpaikantimilta ja ihmisten IL:lle tiedottamista havainnoista, SYNOP-kartoilta, rintama-analyyseistä, luotauksista ja luotaustietojen pohjalta piirretyistä salamakartoista sekä sadetutkan kuvista. Tutkimuksessa määriteltiin talviukkoseksi yksi tai useampi salamahavainto säätilanteessa, jossa salamahavaintopaikkaan ja -aikaan nähden lähimmistä synop-havainnoista ainakin yhdessä on havaittu joko ≤ 0 °C lämpötila tai lumi- tai räntäsadetta. Näin rajattuna vuosina 2003-2007 talviukkostapauksia oli 19 kpl. Tapaukset jakaantuivat melko tasaisesti loka-marraskuun vaihteen ja huhtikuun välille, pienet maksimit olivat marras- ja helmikuussa. Tapausten esiintymisajankohtia rajoitti siis vain talviukkosten määritelmän mukaisten sääolosuhteiden esiintyminen. Vuorokaudenajalla ei ollut merkittävää vaikutusta talvisalamoiden esiintymiselle. Alueellisesti talviukkoset painottuivat maan lounaisosaan mutta niitä havaittiin koko maassa Käsivarren Lappia myöten. 16 tapauksessa 19:sta talviukkoset havaittiin okluusiorintamaksi analysoidun rintaman yhteydessä. Yhdessä tapauksessa rintama oli analysoitu kylmäksi ja kahdessa rintama-analyysi oli epäselvä. Matalapaineen keskus sijaitsi iskuhavaintopaikkoihin nähden yleensä lännen puolella. Lännen puolen yleisyyden aiheutti okluusiorintamien kiertosuunta myötäpäivään matalapaineen keskukseen nähden. Pintalämpötila oli lähes kaikissa talviukkostapauksissa lähellä nollaa ja havaintopaikan lähellä olevissa SYNOP-havainnoissa havaittiin useissa tapauksissa sadetta sekä vetenä että kiinteässä olomuodossa. CAPE:n arvot olivat joko nollassa tai hyvin lähellä sitä iskuhavaintoihin nähden lähimmissä luotauksissa. Lämmintä advektiota havaittiin lähes kaikissa tutkituissa luotauksissa, myös sulan meren vaikutus näkyi tuloksissa talviukkosia edistävänä tekijänä. Maasalamoita havaittiin talviukkosten yhteydessä useimmin 1 tai 2 ja iskuja salamaa kohden 1 tai 2. Havaituista maasalamoista positiivisia oli 46 % ja negatiivisia 54 %. Tapaustutkimukset tehtiin kahdesta vuosien 2003-2007 talviukkosia hyvin edustavasta tapauksesta sekä yhdestä salamamäärältään poikkeuksellisen runsaasta tapauksesta.

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.

Pentapeptidirakenteiden yleisimmät yhtäläisyydet

Proteiinit ovat elämälle välttämättömiä orgaanisia yhdisteitä, jotka koostuvat yhdestä tai useammasta aminohappoketjusta. Proteiinien toiminnan määrää niiden kolmiulotteinen rakenne, joka taas riippuu pitkälti proteiinien aminohappojärjestyksestä, sekvenssistä. Proteiinien tunnettujen sekvenssien määrä kasvaa DNA-sekvensoinnin tuloksena selvästi nopeammin kuin selvitettyjen kolmiulotteisten rakenteiden, konformaatioiden, määrä. Proteiinien rakenteitakin tunnetaan jo lähes 45 000, joten niiden tilastollisella analyysillä on yhä merkittävämpi osuus uusien proteiinien rakenteen määrittämisessä, ennustamisessa ja suunnittelussa. Työssä etsittiin pentapeptidejä (viiden aminohapon pituisia ketjuja), joilla on sama konformaatio kaikissa tunnetuissa proteiinien rakenteissa. Näitä rakennuspalikoita voisi käyttää suoraviivaisessa proteiinien suunnittelussa halutun kolmiulotteisen rakenteen aikaansaamiseksi. Aineistona käytettiin proteiinitietopankin joulukuussa 2007 sisältämiä rakenteita, joihin kuului lähes 45 000 proteiinin kolmiulotteista rakennetta. Aineiston laajuuden takia rakennuspalikoita etsittiin kahdessa vaiheessa vertailemalla pentapeptidien rakenteen keskeisten atomien (CA, CB, O, C ja N) sijaintia proteiinien aminohappoketjuissa. Työssä löytyi yli 9000 rakennuspalikkaa, pentapeptidiä, joista jokaisella oli sama konformaatio yli 12 eri rakennetiedostossa, niissä ilmoitettujen tarkkuuksien rajoissa. Löydetyistä rakennuspalikoista 48:lla oli täysin sama konformaatio kaikkialla, mistä ne löydettiin. Näistä useimmin esiintyneitä voi käyttää suoraan proteiinien rakenneanalyysissä valmiina kolmiulotteisen rakenteen osina. Eri konformaatioihin laskostuvia identtisiä pentapeptidejä löytyi yli 266 000 kappaletta. Rakennuspalikoiden stabiiliudesta johtuen ne saattavat olla tärkeitä proteiinien fysikaalisen mallinnuksen tutkimus- ja vertailukohteina. Käytännön kannalta työn lupaavin tulos oli se, että rakennuspalikoita löytyi eri vasta-aineiden rakennetiedostoista. Ehkäpä juuri vasta-aineita voitaisiin suunnitella työssä esitetyillä menetelmillä.

Tietokonetomografialaitteen annosmittauksissa käytettävän ionisaatiokammion kalibrointi

Tietokonetomografiatutkimusten (TT-tutkimusten) määrä on kasvussa, ja niistä aiheutuu merkittävä osa röntgentutkimusten väestölle aiheuttamasta kollektiivisesta annoksesta. Jotta potilaan saama säteilyannos voitaisiin määrittää tarkasti, luotettavasti ja vertailukelpoisesti, mittalaitteet on kalibroitava kansainväliseen mittausjärjestelmään jäljittyvällä tavalla käyttä-en sovittuja standardisäteilylaatuja. TT-laitteen annosmittauksissa käytetään erityisiä pitkiä sylinterin mallisia ionisaatiokammiota (TT-kammio eli DLP-kammio), joilla mitataan ilma-kerman ja pituuden tuloa. TT-kammioidenkalibrointiin ei ole ollut vakiintunutta menettelyä Säteilyturvakeskuksessa (STUK) eikä yleisesti hyväksyttyä kansainvälistä ohjetta. STUK osallistuu Kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n ohjeluonnoksen (2005) koekäyttöön. Tässä työssä oli tarkoitus testata ohjeessa esitettyä TT-kammioiden kalibrointimenetelmää sekä aikaisemmin julkaistuja menetelmiä, kehittää niiden pohjalta STUKille oma kalibrointikäytäntö ja testata sen toimintaa. Työssä tarkasteltiin erilaisia kalibrointimenetelmiä ja TT-kammion toimintaa. Mittausten perusteella päädyttiin menettelyyn, jossa kalibrointi suoritetaan mittaamalla TT-kammion vastetta kolmella erilevyisellä säteilykeilan lisärajoittimen aukolla. Kammion vasteen tasai-suutta voidaan lisäksi tutkia 1 cm:n levyisellä aukolla. Kalibrointikerroin saadaan vertaamal-la kalibroitavalla TT-kammiolla mitattuja tuloksia vertailumittarilla (mittanormaalilla) saa-tuihin tuloksiin. TT-kammion kalibroinnissa vertailumittari on sylinteri-ionisaatiokammio. Jos halutaan arvioida kalibroitavan TT-kammion efektiivistä pituutta, on kammion kalib-rointikerroin laskettava myös TT-kammiolla avokentässä tehtyjen mittausten perusteella. Työssä esitellyllä menetelmällä saadun kalibrointikertoimen kokonaisepävarmuus on 2,4 %. TT-laitteen annosmittaustilanteessa yksinkertaisinta on arvioida sopiva kalibrointikerroin pelkän putkijännitteen avulla, joka nostaa kalibrointikertoimesta tulokseen aiheutuvat kokonaisepävarmuuden 4,7 prosenttiin, sillä kalibrointikerroin riippuu sekä röntgenputken jännitteestä että säteilyn suodatuksesta.

Lumi ilmaston osana - Lumen vesiarvon ja pinnan albedon mallintaminen Pohjois-Euraasian alueella

Työssä tarkasteltiin ilmakehän yleisen kiertoliikkeen mallin, ECHAM5:n, ja Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskuksen uudelleenanalyysijärjestelmän, ERA-40:n, lumen vesiarvon ja lumisten alueiden pinnan albedon mallintamista. Tarkoituksena oli selvittää näiden välisiä eroja sekä sitä, kuinka hyvin ECHAM5 kuvaa nykyilmaston lumioloja. Esimerkinomaisesti tarkasteltiin myös Rossby-keskuksen alueellisen ilmastomallin, RCA3:n, lumen mallintamistapaa. ECHAM5-simulaatioissa käytetty pakote oli havaintojen mukainen meriveden pintalämpötilan ja merijään jakauma. ECHAM5:n ja ERA-40:n aineistoja vertailtiin jaksolla 1986-1990 Pohjois-Euraasian alueella. ERA-40:n lumen vesiarvoja verrattiin lisäksi INTAS-SCCONE-hankkeen havaintoaineistoon. Saatujen tulosten mukaan ECHAM5:n lumen vesiarvo oli monilla alueilla ERA-40:n lumen vesiarvoa pienempi. Suurimmillaan erot olivat vesiarvon maksimialueilla Euraasian keskiosissa. ECHAM5:ssä myös eri vuosien välinen vaihtelu oli pienempää kuin ERA-40:ssä. Varsinkin tarkastelujakson viimeisinä vuosina, 1989 ja 1990, lumen vesiarvo sai Pohjois-Euroopan alueella ERA-40:n mukaan hyvin matalia arvoja, jotka selittyvät NAO-indeksin korkeilla arvoilla. NAO-ilmiön voimakkuus 1980-luvun lopulla ei kuitenkaan erotu ECHAM5:n lumen vesiarvossa. ERA-40:n lumianalyysissä on mukana lumensyvyyshavaintoja, mikä on suurin tuloksiin eroa aiheuttava tekijä. Lienee myös mahdollista, että ECHAM5-simulaatioissa käytetty pakote ei ole riittävän voimakas tuottamaan kaikilta osin realistista lumen vesiarvon jakaumaa. ERA-40:n ja INTAS-SCCONE-aineiston välillä ei ollut kovin suuria eroja. Lumisten alueiden pinnan albedon osana käytetty lumialbedo on ERA-40:ssä ennustettava muuttuja, ECHAM5:ssä se parametrisoidaan. Saatujen tulosten mukaan pinnan albedon arvot ovat ECHAM5:ssä laajalti suurempia kuin ERA-40:ssä. Erot aiheutuvat albedojen erilaisesta laskentatavasta sekä mallien erilaisista kasvillisuusjakaumista. ECHAM5 aliarvioi kasvillisuuden albedoa pienentävän vaikutuksen varsinkin pohjoisen havumetsävyöhykkeen alueella. ERA-40:n pinnan albedo lieneekin realistisempi kuin ECHAM5:n.

Quality of ALICE SSD modules revealed by electrical tests

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is an experiment at CERN (European Organization for Nuclear Research), where a heavy-ion detector is dedicated to exploit the unique physics potential of nucleus-nucleus interactions at LHC (Large Hadron Collider) energies. In a part of that project, 716 so-called type V4 modules were assembles in Detector Laboratory of Helsinki Institute of Physics during the years 2004 - 2006. Altogether over a million detector strips has made this project the most massive particle detector project in the science history of Finland. One ALICE SSD module consists of a double-sided silicon sensor, two hybrids containing 12 HAL25 front end readout chips and some passive components, such has resistors and capacitors. The components are connected together by TAB (Tape Automated Bonding) microcables. The components of the modules were tested in every assembly phase with comparable electrical tests to ensure the reliable functioning of the detectors and to plot the possible problems. The components were accepted or rejected by the limits confirmed by ALICE collaboration. This study is concentrating on the test results of framed chips, hybrids and modules. The total yield of the framed chips is 90.8%, hybrids 96.1% and modules 86.2%. The individual test results have been investigated in the light of the known error sources that appeared during the project. After solving the problems appearing during the learning-curve of the project, the material problems, such as defected chip cables and sensors, seemed to induce the most of the assembly rejections. The problems were typically seen in tests as too many individual channel failures. Instead, the bonding failures rarely caused the rejections of any component. One sensor type among three different sensor manufacturers has proven to have lower quality than the others. The sensors of this manufacturer are very noisy and their depletion voltage are usually outside of the specification given to the manufacturers. Reaching 95% assembling yield during the module production demonstrates that the assembly process has been highly successful.