"Tekniken fångar mig" : Hur högstadie- och gymnasieflickor tänker om biologi, kemi, fysik och teknik

Den här studien tar sin utgångspunkt i genusteorier och de naturvetenskapliga och tekniska ämnesområdena i skolsammanhang. Syftet är att undersöka vad flickor tänker om ämnena biologi, kemi, fysik och teknik och hur det påverkar valet av fortsatta studier. I undersökningen deltar flickor i grundskolans årskurs 9 och gymnasiets årskurs 3. I undersökningen användes intervjuer, fokussamtal och enkäter. Resultaten visar att ett personligt ämnesintresse, den egna förmågan och förebilder i familj och kamrater bidrar till att flickor väljer naturvetenskapliga och tekniska studier. Betydelsefullt är att ämnesintresset på något sätt finns i flickornas vardagsliv exempelvis ett naturintresse. Av vikt för att flickorna väljer dessa studier är att de befinner sig i en omgivning, ex familj, som stödjer och främjar naturvetenskapliga och tekniska intressen och studier. Resultaten visar också några av de egenskaper som behövs för att göra gränsöverskridande studieval. Däremot visar resultatet att arbetssätten påverkar i mindre grad till ett personligt intresse för fortsatta studier. Identifieringen med en grupp för att känna tillhörighet är av betydelse i val av ämnesstudier.

Arkiv för matematik, astronomi och fysik /

Mode of access: Internet.

Lærebog i fysik.

Mode of access: Internet.

Water-ethanol mixtures by molecular dynamics and x-ray Compton scattering

Water-ethanol mixtures are commonly used in industry and house holds. However, quite surprisingly their molecular-level structure is still not completely understood. In particular, there is evidence that the local intermolecular geometries depend significantly on the concentration. The aim of this study was to gain information on the molecular-level structures of water-ethanol mixtures by two computational methods. The methods are classical molecular dynamics (MD), where the movement of molecules can be studied, and x-ray Compton scattering, in which the scattering cross section is sensitive to the electron momentum density. Firstly, the water-ethanol mixtures were studied with MD simulations, with the mixture concentration ranging from 0 to 100%. For the simulations well-established force fields were used for the water and ethanol molecules (TIP4P and OPLS-AA, respectively). Moreover, two models were used for ethanol, rigid and non-rigid. In the rigid model the intramolecular bond lengths are fixed, whereas in the non-rigid model the lengths are determined by harmonic potentials. Secondly, mixtures with three different concentrations employing both ethanol models were studied by calculating the experimentally observable x-ray quantity, the Compton profile. In the MD simulations a slight underestimation in the density was observed as compared to experiment. Furthermore, a positive excess of hydrogen bonding with water molecules and a negative one with ethanol was quantified. Also, the mixture was found more structured when the ethanol concentration was higher. Negligible differences in the results were found between the two ethanol models. In contrast, in the Compton scattering results a notable difference between the ethanol models was observed. For the rigid model the Compton profiles were similar for all the concentrations, but for the non-rigid model they were distinct. This leads to two possibilities of how the mixing occurs. Either the mixing is similar in all concentrations (as suggested by the rigid model) or the mixing changes for different concentrations (as suggested by the non-rigid model). Either way, this study shows that the choice of the force field is essential in the microscopic structure formation in the MD simulations. When the sources of uncertainty in the calculated Compton profiles were analyzed, it was found that more statistics needs to be collected to reduce the statistical uncertainty in the final results. The obtained Compton scattering results can be considered somewhat preliminary, but clearly indicative of the behaviour of the water-ethanol mixtures when the force field is modified. The next step is to collect more statistics and compare the results with experimental data to decide which ethanol model describes the mixture better. This way, valuable information on the microscopic structure of water-ethanol mixtures can be found. In addition, information on the force fields in the MD simulations and on the ability of the MD simulations to reproduce the microscopic structure of binary liquids is obtained.

Urban energy fluxes in Helsinki and their high frequency spectral corrections

Inadvertent climate modification has led to an increase in urban temperatures compared to the surrounding rural area. The main reason for the temperature rise is the altered energy portioning of input net radiation to heat storage and sensible and latent heat fluxes in addition to the anthropogenic heat flux. The heat storage flux and anthropogenic heat flux have not yet been determined for Helsinki and they are not directly measurable. To the contrary, turbulent fluxes of sensible and latent heat in addition to net radiation can be measured, and the anthropogenic heat flux together with the heat storage flux can be solved as a residual. As a result, all inaccuracies in the determination of the energy balance components propagate to the residual term and special attention must be paid to the accurate determination of the components. One cause of error in the turbulent fluxes is the fluctuation attenuation at high frequencies which can be accounted for by high frequency spectral corrections. The aim of this study is twofold: to assess the relevance of high frequency corrections to water vapor fluxes and to assess the temporal variation of the energy fluxes. Turbulent fluxes of sensible and latent heat have been measured at SMEAR III station, Helsinki, since December 2005 using the eddy covariance technique. In addition, net radiation measurements have been ongoing since July 2007. The used calculation methods in this study consist of widely accepted eddy covariance data post processing methods in addition to Fourier and wavelet analysis. The high frequency spectral correction using the traditional transfer function method is highly dependent on relative humidity and has an 11% effect on the latent heat flux. This method is based on an assumption of spectral similarity which is shown not to be valid. A new correction method using wavelet analysis is thus initialized and it seems to account for the high frequency variation deficit. Anyhow, the resulting wavelet correction remains minimal in contrast to the traditional transfer function correction. The energy fluxes exhibit a behavior characteristic for urban environments: the energy input is channeled to sensible heat as latent heat flux is restricted by water availability. The monthly mean residual of the energy balance ranges from 30 Wm-2 in summer to -35 Wm-2 in winter meaning a heat storage to the ground during summer. Furthermore, the anthropogenic heat flux is approximated to be 50 Wm-2 during winter when residential heating is important.

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.

Feasibility of assimilating ASCAT surface winds into a Limited Area Model

Sea-surface wind observations of previous generation scatterometers have been successfully assimilated into Numerical Weather Prediction (NWP) models. Impact studies conducted with these assimilation implementations have shown a distinct improvement to model analysis and forecast accuracies. The Advanced Scatterometer (ASCAT), flown on Metop-A, offers an improved sea-surface wind accuracy and better data coverage when compared to the previous generation scatterometers. Five individual case studies are carried out. The effect of including ASCAT data into High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) assimilation system (4D-Var) is tested to be neutral-positive for situations with general flow direction from the Atlantic Ocean. For northerly flow regimes the effect is negative. This is later discussed to be caused by problems involving modeling northern flows, and also due to the lack of a suitable verification method. Suggestions and an example of an improved verification method is presented later on. A closer examination of a polar low evolution is also shown. It is found that the ASCAT assimilation scheme improves forecast of the initial evolution of the polar low, but the model advects the strong low pressure centre too fast eastward. Finally, the flaws of the implementation are found small and implementing the ASCAT assimilation scheme into the operational HIRLAM suite is feasible, but longer time period validation is still required.

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.

Wind drift of snowfall between the radar volume and ground

This study evaluates how the advection of precipitation, or wind drift, between the radar volume and ground affects radar measurements of precipitation. Normally precipitation is assumed to fall vertically to the ground from the contributing volume, and thus the radar measurement represents the geographical location immediately below. In this study radar measurements are corrected using hydrometeor trajectories calculated from measured and forecasted winds, and the effect of trajectory-correction on the radar measurements is evaluated. Wind drift statistics for Finland are compiled using sounding data from two weather stations spanning two years. For each sounding, the hydrometeor phase at ground level is estimated and drift distance calculated using different originating level heights. This way the drift statistics are constructed as a function of range from radar and elevation angle. On average, wind drift of 1 km was exceeded at approximately 60 km distance, while drift of 10 km was exceeded at 100 km distance. Trajectories were calculated using model winds in order to produce a trajectory-corrected ground field from radar PPI images. It was found that at the upwind side from the radar the effective measuring area was reduced as some trajectories exited the radar volume scan. In the downwind side areas near the edge of the radar measuring area experience improved precipitation detection. The effect of trajectory-correction is most prominent in instant measurements and diminishes when accumulating over longer time periods. Furthermore, measurements of intensive and small scale precipitation patterns benefit most from wind drift correction. The contribution of wind drift on the uncertainty of estimated Ze (S) - relationship was studied by simulating the effect of different error sources to the uncertainty in the relationship coefficients a and b. The overall uncertainty was assumed to consist of systematic errors of both the radar and the gauge, as well as errors by turbulence at the gauge orifice and by wind drift of precipitation. The focus of the analysis is error associated with wind drift, which was determined by describing the spatial structure of the reflectivity field using spatial autocovariance (or variogram). This spatial structure was then used with calculated drift distances to estimate the variance in radar measurement produced by precipitation drift, relative to the other error sources. It was found that error by wind drift was of similar magnitude with error by turbulence at gauge orifice at all ranges from radar, with systematic errors of the instruments being a minor issue. The correction method presented in the study could be used in radar nowcasting products to improve the estimation of visibility and local precipitation intensities. The method however only considers pure snow, and for operational purposes some improvements are desirable, such as melting layer detection, VPR correction and taking solid state hydrometeor type into account, which would improve the estimation of vertical velocities of the hydrometeors.

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.

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.

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.