A priori parameterisation of the CERES soil-crop models and tests against several European data sets

Mechanistic soil-crop models have become indispensable tools to investigate the effect of management practices on the productivity or environmental impacts of arable crops. Ideally these models may claim to be universally applicable because they simulate the major processes governing the fate of inputs such as fertiliser nitrogen or pesticides. However, because they deal with complex systems and uncertain phenomena, site-specific calibration is usually a prerequisite to ensure their predictions are realistic. This statement implies that some experimental knowledge on the system to be simulated should be available prior to any modelling attempt, and raises a tremendous limitation to practical applications of models. Because the demand for more general simulation results is high, modellers have nevertheless taken the bold step of extrapolating a model tested within a limited sample of real conditions to a much larger domain. While methodological questions are often disregarded in this extrapolation process, they are specifically addressed in this paper, and in particular the issue of models a priori parameterisation. We thus implemented and tested a standard procedure to parameterize the soil components of a modified version of the CERES models. The procedure converts routinely-available soil properties into functional characteristics by means of pedo-transfer functions. The resulting predictions of soil water and nitrogen dynamics, as well as crop biomass, nitrogen content and leaf area index were compared to observations from trials conducted in five locations across Europe (southern Italy, northern Spain, northern France and northern Germany). In three cases, the model’s performance was judged acceptable when compared to experimental errors on the measurements, based on a test of the model’s root mean squared error (RMSE). Significant deviations between observations and model outputs were however noted in all sites, and could be ascribed to various model routines. In decreasing importance, these were: water balance, the turnover of soil organic matter, and crop N uptake. A better match to field observations could therefore be achieved by visually adjusting related parameters, such as field-capacity water content or the size of soil microbial biomass. As a result, model predictions fell within the measurement errors in all sites for most variables, and the model’s RMSE was within the range of published values for similar tests. We conclude that the proposed a priori method yields acceptable simulations with only a 50% probability, a figure which may be greatly increased through a posteriori calibration. Modellers should thus exercise caution when extrapolating their models to a large sample of pedo-climatic conditions for which they have only limited information.

Use of the heat dissipation method for sap flow measurement in citrus nursery trees1

Sap flow could be used as physiological parameter to assist irrigation of screen house citrus nursery trees by continuous water consumption estimation. Herein we report a first set of results indicating the potential use of the heat dissipation method for sap flow measurement in containerized citrus nursery trees. 'Valencia' sweet orange [Citrus sinensis (L.) Osbeck] budded on 'Rangpur' lime (Citrus limonia Osbeck) was evaluated for 30 days during summer. Heat dissipation probes and thermocouple sensors were constructed with low-cost and easily available materials in order to improve accessibility of the method. Sap flow showed high correlation to air temperature inside the screen house. However, errors due to natural thermal gradient and plant tissue injuries affected measurement precision. Transpiration estimated by sap flow measurement was four times higher than gravimetric measurement. Improved micro-probes, adequate method calibration, and non-toxic insulating materials should be further investigated.

Kuumalanka-anemometri virtausmittauksissa

Tässä työssä selostetaan kuumalanka-anemometrin käyttö virtausmittauksissa. Kuumalanka-anemometrilla saadaan mitattua virtausnopeuden ja -suunnan lisäksi nopeusheilahteluja. Mittaustaajuus on tyypillisesti useita kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa ja signaali on jatkuva. Nykytekniikalla pystytään helposti tallentamaan mittauslaitteistolta saatu viesti tietokoneelle ja muuntamaan se nopeudeksi. Hetkellisten nopeuksien avulla voidaan laskea turbulenttisen virtauksen ominaisuuksia, kuten turbulenssin intensiteetti ja spektri. Kuumalanka-anemometrissa lämmitetään sähköisesti ohutta lankaa, joka on mitattavassa virtauksessa. Langan sähköteho on suunnilleen yhtäsuuri kuin langasta konvektiolla siirtyvä lämpöteho. Tällöin on teoreettisesti mahdollista laskea virtausnopeus lämpötehosta lämmönsiirtokorrelaatioilla. Käytännössä laitteisto joudutaan kuitenkin erikseen kalibroimaan, mutta sähkötehon teoreettista riippuvuutta konvektiosta käytetään hyväksi. Kuumalangan lämmitettävä osuus on tyypillisesti halkaisijaltaan 5 µm ja pituudeltaan noin 1 mm. Sitä käytetään pääasiassa kaasuvirtausten mittaamiseen ja valtaosassa mittauksissa virtausaineena on ilma. Kuumalanka voi olla toteutettu kuumakalvotekniikalla, jossa halkaisijaltaan noin 50 - 70 µm paksuinen kuitu on päällystetty ohuella sähköä johtavalla kalvolla. Kuumakalvoanturin ei tarvitse olla muodoltaan sylinterimäinen, se voi olla mm. kartiomainen tai kiilamainen. Erikoispäällystetyllä kuumakalvoanturilla on mahdollista mitata myös nestevirtauksia. Mitattaessa kaasuvirtauksia kuumakalvon etuna on selvästi parempi kestävyys verrattuna kuumalankaan. Nimitystä kuumalanka-anemometri käytetään yleisesti molemmista anturityypeistä Tämän työn alussa käsitellään sylinterin yli tapahtuvaan virtaukseen liittyvää virtausmekaniikkaa ja lämmönsiirtoa. Anemometrin sähköinen osa, laitteisto ja sen kalibrointi käydään läpi. Langan suuntariippuvuuden laskentaan esitetään tarvittavat yhtälöt. Työssä esitellään kolme laitteistolla tehtyä perusmittausta: anturin kohtauskulman muuttaminen, pyörähdyssymmerisen suihkun nopeuskenttä ja tuulitunnelin rajakerros. Lisäksi esitellään yksi käytännöllinen ja vaativampi mittaus, jossa on mitattu nopeusprofiili radiaalikompressorin diffuusorin loppuosassa.

Unification of Emission Measurements in Paper and Pulp Mills

Tässä diplomityössä tavoitteena on selvittää käytännöt ja menetelmät, joilla UPM-Kymmenen sellu-, paperi- ja vaneritehtaat ympäri maailman mittaavat ja laskevat ilmapäästönsä. Tämä tehdään kyselylomakkeella, joka lähetetään tehtaiden ympäristöpäälliköille. Kaikki tärkeimmät seikat ilmapäästöihin liittyen, kuten vaaditut jatkuvatoimiset mittaukset, jaksottaiset mittaukset, raportointikäytäntö, kalibrointi jne. kysytään lomakkeessa. Kyselylomakkeessa painotetaan mittauskäytäntöä sellutehtaissa sekä energiantuotannossa. Saatujen tulosten perusteella annetaan ehdotuksia sekä ohjeita tulevaisuutta varten, jotta mittaustulosten kokoaminen helpottuisi ja vertailukelpoisuus paranisi. Työn kirjallisuusosuudessa selvitetään yleisimmät päästölähteet sekä päästökomponentit paperi –ja selluteollisuudessa. Näiden ei toivottujen yhdisteiden syntymekanismit sekä menetelmät niiden poistamiseksi savukaasuista on myös lyhyesti kuvailtu. Myös erilaiset analysointi- ja näytteenottomenetelmät on kerrottu. Erot tehtaiden ympäristöluvissa käydään läpi, jakaen tehtaat kolmeen maantieteelliseen ryhmään. Lupakäytäntöjen osalta Suomen osuutta on painotettu, sillä UPM-Kymmene on varsin Suomikeskeinen yhtiö tehtaiden lukumääriin ja sijainteihin katsottuna. Viranomaismääräykset sekä päästörajat muutamista tehtaista on esitetty havainnollistaakseen alueellisia eroja.

Tuotantolaitteiden kvalifiointi ja prosessin validointi GMP-tuotantoa varten

GMP-säädösten mukaan aktiivisten lääkeaineiden, kriittisten lääkeaineintermediaattien ja lääkeapuaineiden valmistusprosessit pitää validoida. Validointityöhön kuuluu oleellisesti tuotantolaitteiden kvalifiointi ja prosessin validointi. Käytännössä tuotantolaitteiden kvalifiointi toteutetaan tekemällä laitteille suunnitelmien tarkastus (DQ), asennus- ja käyttöönottotarkastus (IQ), toiminnan testaus (OQ) sekä suorituskykytestit (PQ). Tuotantolaitteiden kvalifiointiin kuuluu myös laitteiden asianmukaisten kalibrointi-, kunnossapito- ja puhdistusohjeiden sekä työ- ja toimintaohjeiden (SOP:ien) laatiminen. Prosessin validoinnissa laaditaan dokumentoidut todisteet siitä, että prosessi toimii vakaasti ja tuotteelle asetetut vaatimukset täyttyvät johdonmukaisesti. GMP-tuotantolaitteiden kvalifiointiin ja lääkevalmistusprosessin validointiin on laadittu erilaisia GMP-säädöksiä noudattavia yleisiä validointiohjeita, kuten PIC/S:n ja FDA:n ohjeet kvalifioinnista ja validoinnista. IVT/SC on laatinut yksiselitteiset validointistandardit validointityön selventämiseksi. Validoinnin tilastolliseen tarkasteluun on käytettävissä GHTF:n laatimat tilastolliset validointimenetelmät. Yleensä tuotantolaitteiden kvalifiointi ja prosessin validointi tehdään ennen lääkevalmisteen kaupallisen tuotannon aloittamista. Kvalifiointi- ja validointityö voidaan tehdä kuitenkin myös tuotannon yhteydessä (konkurrentisti) tai retrospektiivisesti käyttäen hyväksi valmistettujen tuotantoerien prosessitietoja. Tässä työssä laadittiin Kemira Fine Chemicals Oy:n Kokkolan GMP-tuotantolinjan lääkeaineintermediaattiprosessin validoinnin yleissuunnitelma (VMP), joka sisältää sekä tuotantolaitteiden kvalifiointisuunnitelman että prosessin validointisuunnitelman. Suunnitelmissa huomioitiin tuotantolaitteiden aikaisempi käyttö muuhun hienokemikaalituotantoon ja tuotantolinjan muuttaminen GMP-vaatimusten mukaiseksi. Työhön kuului myös tuotantolaitteiden kvalifiointityön tekeminen laaditun suunnitelman mukaisesti.

Measurement systems in wall production applications

Tässä tutkimuksessa kehitettiin prototyyppi betonielementin dimension mittaus järjestelmästä. Tämä järjestelmä mahdollistaa kolmiulotteisen kappaleen mittauksen. Tutkimuksessa kehitettiin myös stereonäköön perustuva kappaleen mittaus. Prototyyppiä testailin ja tulokset osoittautuivat luotettaviksi. Tutkimuksessa selvitetään ja vertaillaan myös muita lähestymistapoja ja olemassa olevia järjestelmiä kappaleen kolmiuloitteiseen mittaukseen, joita Suomalaiset yhtiöt käyttävät tällä alalla.

Influence of heart motion on cardiac output estimation by means of electrical impedance tomography: a case study.

Electrical impedance tomography (EIT) is a non-invasive imaging technique that can measure cardiac-related intra-thoracic impedance changes. EIT-based cardiac output estimation relies on the assumption that the amplitude of the impedance change in the ventricular region is representative of stroke volume (SV). However, other factors such as heart motion can significantly affect this ventricular impedance change. In the present case study, a magnetic resonance imaging-based dynamic bio-impedance model fitting the morphology of a single male subject was built. Simulations were performed to evaluate the contribution of heart motion and its influence on EIT-based SV estimation. Myocardial deformation was found to be the main contributor to the ventricular impedance change (56%). However, motion-induced impedance changes showed a strong correlation (r = 0.978) with left ventricular volume. We explained this by the quasi-incompressibility of blood and myocardium. As a result, EIT achieved excellent accuracy in estimating a wide range of simulated SV values (error distribution of 0.57 ± 2.19 ml (1.02 ± 2.62%) and correlation of r = 0.996 after a two-point calibration was applied to convert impedance values to millilitres). As the model was based on one single subject, the strong correlation found between motion-induced changes and ventricular volume remains to be verified in larger datasets.

Label-free detection of tobramycin in serum by transmission-localized surface plasmon resonance.

In order to improve the efficacy and safety of treatments, drug dosage needs to be adjusted to the actual needs of each patient in a truly personalized medicine approach. Key for widespread dosage adjustment is the availability of point-of-care devices able to measure plasma drug concentration in a simple, automated, and cost-effective fashion. In the present work, we introduce and test a portable, palm-sized transmission-localized surface plasmon resonance (T-LSPR) setup, comprised of off-the-shelf components and coupled with DNA-based aptamers specific to the antibiotic tobramycin (467 Da). The core of the T-LSPR setup are aptamer-functionalized gold nanoislands (NIs) deposited on a glass slide covered with fluorine-doped tin oxide (FTO), which acts as a biosensor. The gold NIs exhibit localized plasmon resonance in the visible range matching the sensitivity of the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor employed as a light detector. The combination of gold NIs on the FTO substrate, causing NIs size and pattern irregularity, might reduce the overall sensitivity but confers extremely high stability in high-ionic solutions, allowing it to withstand numerous regeneration cycles without sensing losses. With this rather simple T-LSPR setup, we show real-time label-free detection of tobramycin in buffer, measuring concentrations down to 0.5 μM. We determined an affinity constant of the aptamer-tobramycin pair consistent with the value obtained using a commercial propagating-wave based SPR. Moreover, our label-free system can detect tobramycin in filtered undiluted blood serum, measuring concentrations down to 10 μM with a theoretical detection limit of 3.4 μM. While the association signal of tobramycin onto the aptamer is masked by the serum injection, the quantification of the captured tobramycin is possible during the dissociation phase and leads to a linear calibration curve for the concentrations over the tested range (10-80 μM). The plasmon shift following surface binding is calculated in terms of both plasmon peak location and hue, with the latter allowing faster data elaboration and real-time display of the results. The presented T-LSPR system shows for the first time label-free direct detection and quantification of a small molecule in the complex matrix of filtered undiluted blood serum. Its uncomplicated construction and compact size, together with the remarkable performances, represent a leap forward toward effective point-of-care devices for therapeutic drug concentration monitoring.

Kalibrointimenetelmä planaaristen siirtojohtojen mittaamiseen

Tässä diplomityössä tutkittiin TRL-kalibroinnin käyttämistä tasomaisten siirtojohtojen sähköisten parametrien määrittämisessä taajuusalueella 0,3 – 12 GHz. Työssä perehdyttiin TRL-kalibroinnin käyttämiseen piirianalysaattorilla toteutettujen mittauksien mittauskalibrointiin sekä kalibrointiin tarvittavien kalibrointistandardien mitoittamiseen. Kalibrointistandardit suunniteltiin ja toteutettiin sekä mikroliuska- että liuskajohdoille, joiden toiminnallisuutta tarkasteltiin sekä taajuustason että aikatason mittausten avulla. Työssä perehdyttiin myös kalibrointistandardien liityntärajapinnan suunniteluun ja toteuttamiseen. Saatujen tulosten perusteella voitiin osoittaa mikroliuskajohtokitin soveltuvan hyvin mittauskalibroinnin toteuttamiseen tarkoissa mittaussovelluksissa.

Implisiittisen kalibroinnin soveltamismahdollisuudet kemiantekniikassa

Työn taustalla oli tavoite parantaa erään teollisuusprosessin toimintaa ja sen tuottoa mallintamalla reaktiovaiheen alussa tapahtuvan välituotteen muodostumisen reaktiokinetiikka sekä perinteisellä tavalla että implisiittisellä kalibroinnilla. Toisena tavoitteena oli selvittää, kuinka implisiittistä kalibrointia voidaan yleisemmin hyödyntää kemiantekniikassa. Implisiittinen kalibrointi on menetelmä, jolla voidaan ratkaista jonkin teoreettisen mallin parametrit suoraan epäsuorasta mittausdatasta (esimerkiksi spektreistä) lähes kokonaan ilman off-line analyysejä. Tämän työn kirjallisuusosassa on esitetty implisiittisen kalibroinnin toimintaperiaate sekä lyhyesti FTIR-spektrometrian perusteita. Työn kokeellisessa osassa on estimoitu tutkitun välituotteen muodostumisen kineettiset parametrit sekä tavanomaisella parametriestimoinnilla että implisiittisellä kalibroinnilla. Lisäksi kokeellisessa osassa on selvitetty lyhyesti tutkitun prosessin FTIR-spektrien lämpötilariippuvuuksia ja esitetty neljä mahdollista uutta sovelluskohdetta implisiittiselle kalibroinnille. Tavanomaisella parametriestimoinnilla saatiin estimoitua varsin yksiselitteiset arvot kineettisille parametreille. Myös mallin sovitus koedataan on hyvä kolmessa kokeessa viidestä. Parametriestimointi implisiittisellä kalibroinnilla onnistui lupaavasti vaikka tulokset eivät ole aivan niin hyviä kuin tavanomaisessa parametriestimoinnissa. Parhaat tulokset implisiittisessä kalibroinnissa saavutettiin suoralla kalibrointitavalla GRR (Generalized Ridge Regression)-kalibrointimenetelmää käyttämällä.

Palvelukonseptin kehittämisen tausta kalibrointimarkkinoilla

Diplomityössä selvitettiin kalibrointipalvelujen markkinatilannetta Suomessa. Tarkoituksena oli saada käsitys eri toimialojen yritysten kalibrointitarpeista ja niissä tapahtuvista muutoksista.Työn teoriaosuudessa esitellään kalibrointipalvelujen verkostoa ja kalibrointiin liittyviä käsitteitä. Lisäksi käsitellään asiantuntijayrityksen palveluja, kilpailukeinoja ja asiakassuhteita.Työn empiirisen osan alussa arvioidaan tutkimuksen lähtökohtaa ja kalibrointimarkkinoiden kehitystrendejä. Työssä käytetyistä aineistonhankintamenetelmistä keskeisimmät ovat syvähaastattelut ja sähköpostilla toteutettu kirjekysely. Syvähaastattelut olivat esitutkimusta laajemman kyselyn perustaksi. Syvähaastattelujen ja sähköpostikyselyn tulokset esitellään erillisinä.Työn tulosten yhteydessä arvioidaan alalla vallitsevaa kilpailutilannetta ja kilpailijoiden vahvuuksia. Työssä pohditaan potentiaalisia asiakaskohderyhmiä ja mahdollisuuksia uuden palvelukonseptin kehittämiselle. Palvelukonseptin kehittämistä ajatellen oleellista oli määritellä asiakkaiden arvostamat palvelujen ominaisuudet ja ne suureet, joiden kalibrointipalveluille on eniten kysyntää.

Back to Gondwanaland: can ancient vicariance explain (some) Indian Ocean disjunct plant distributions?

Oceans, or other wide expanses of inhospitable environment, interrupt present day distributions of many plant groups. Using molecular dating techniques, generally incorporating fossil evidence, we can estimate when such distributions originated. Numerous dating analyses have recently precipitated a paradigm shift in the general explanations for the phenomenon, away from older geological causes, such as continental drift, in favour of more recent, long-distance dispersal (LDD). For example, the 'Gondwanan vicariance' scenario has been dismissed in various studies of Indian Ocean disjunct distributions. We used the gentian tribe Exaceae to reassess this scenario using molecular dating with minimum (fossil), maximum (geological), secondary (from wider analyses) and hypothesis-driven age constraints. Our results indicate that ancient vicariance cannot be ruled out as an explanation for the early origins of Exaceae across Africa, Madagascar and the Indian subcontinent unless a strong assumption is made about the maximum age of Gentianales. However, both the Gondwanan scenario and the available evidence suggest that there were also several, more recent, intercontinental dispersals during the diversification of the group.

Giant monopole energies from a constrained relativistic mean-field approach

Background:Average energies of nuclear collective modes may be efficiently and accurately computed using a nonrelativistic constrained approach without reliance on a random phase approximation (RPA). Purpose: To extend the constrained approach to the relativistic domain and to establish its impact on the calibration of energy density functionals. Methods: Relativistic RPA calculations of the giant monopole resonance (GMR) are compared against the predictions of the corresponding constrained approach using two accurately calibrated energy density functionals. Results: We find excellent agreement at the 2% level or better between the predictions of the relativistic RPA and the corresponding constrained approach for magic (or semimagic) nuclei ranging from 16 O to 208 Pb. Conclusions: An efficient and accurate method is proposed for incorporating nuclear collective excitations into the calibration of future energy density functionals.

Counter-propagating dual-trap optical tweezers based on linear momentum conservation

We present a dual-trap optical tweezers setup which directly measures forces using linear momentum conservation. The setup uses a counter-propagating geometry, which allows momentum measurement on each beam separately. The experimental advantages of this setup include low drift due to all-optical manipulation, and a robust calibration (independent of the features of the trapped object or buffer medium) due to the force measurement method. Although this design does not attain the high-resolution of some co-propagating setups, we show that it can be used to perform different single molecule measurements: fluctuation-based molecular stiffness characterization at different forces and hopping experiments on molecular hairpins. Remarkably, in our setup it is possible to manipulate very short tethers (such as molecular hairpins with short handles) down to the limit where beads are almost in contact. The setup is used to illustrate a novel method for measuring the stiffness of optical traps and tethers on the basis of equilibrium force fluctuations, i.e., without the need of measuring the force vs molecular extension curve. This method is of general interest for dual trap optical tweezers setups and can be extended to setups which do not directly measure forces.

Force Spectroscopy with Dual-Trap Optical Tweezers: Molecular Stiffness Measurements and Coupled Fluctuations Analysis

ABSTRACT Dual-trap optical tweezers are often used in high-resolution measurements in single-molecule biophysics. Such measurements can be hindered by the presence of extraneous noise sources, the most prominent of which is the coupling of fluctuations along different spatial directions, which may affect any optical tweezers setup. In this article, we analyze, both from the theoretical and the experimental points of view, the most common source for these couplings in dual-trap optical-tweezers setups: the misalignment of traps and tether. We give criteria to distinguish different kinds of misalignment, to estimate their quantitative relevance and to include them in the data analysis. The experimental data is obtained in a, to our knowledge, novel dual-trap optical-tweezers setup that directly measures forces. In the case in which misalignment is negligible, we provide a method to measure the stiffness of traps and tether based on variance analysis. This method can be seen as a calibration technique valid beyond the linear trap region. Our analysis is then employed to measure the persistence length of dsDNA tethers of three different lengths spanning two orders of magnitude. The effective persistence length of such tethers is shown to decrease with the contour length, in accordance with previous studies.