Tiedotearkisto: 2004

Väitöstyö edistää otsonimittalaitteen tuottaman aineiston tulkintaa

25.10.2004 12:00

Ilmatieteen laitoksen tutkija Johanna Tamminen väittelee Helsingin yliopistossa 29. lokakuuta Markovin ketju Monte Carlo -menetelmän käytöstä matemaattisten inversio-ongelmien ratkaisemisessa. Väitöstyössä kehiteltyjä menetelmiä on sovellettu Euroopan avaruusjärjestön Envisat-satelliitissa toimivan GOMOS-mittalaitteen tuottaman mittausaineiston tulkinnassa. GOMOSin mittaamien suureiden havainnointi liittyy Ilmatieteen laitoksessa tehtävään laajempaan tutkimuskokonaisuuteen, jonka tarkoituksena on ymmärtää ilmaston lämpenemisen ja kasvihuoneilmiön syitä ja seurauksia.

Kuva Envisat-satelliitista: ESA.

Euroopan avaruusjärjestön, ESAn, Envisat-satelliitissa toimiva GOMOS-mittalaite tutkii otsonin ja muiden pienkaasujen korkeusjakaumaa ilmakehässä. Väitöskirjassa on tutkittu Markovin ketju Monte Carlo -menetelmän, MCMC, käyttöä GOMOSin tuottamien mittaustulosten tulkinnassa. Väitöksessä on keskitytty erityisesti GOMOS-mittalaitteen inversio-ongelmien ratkaisemiseen. MCMC-menetelmän etuna perinteisiin menetelmiin verrattuna on sen kyky ratkaista ongelmia, joiden ratkaisut eivät noudata normaalijakaumaa. - Tämän menetelmän avulla voidaan tietyissä tilanteissa saavuttaa jopa parempia tuloksia kuin perinteisillä menetelmillä, Johanna Tamminen arvioi.

Nykyaikaiset satelliittimittausmenetelmät, jotka tutkivat maapallon ympäristöä ja ilmakehää perustuvat epäsuoriin mittauksiin. Tällaiset kaukokartoitusmittaukset mittaavat yleensä sähkömagneettisen säteilyn määrää, ja itse tutkittavat suureet saadaan mittausaineistosta käyttämällä matemaattisia ja tilastollisia menetelmiä sekä ilmiön fysikaalista tai kemiallista mallinnusta. Tätä epäsuoran mittausaineiston tulkintaa kutsutaan inversio-ongelman ratkaisemiseksi. GOMOS mittaa tähdestä tulevan valon vaimenemista ilmakehässä. Tästä tiedosta voidaan matemaattisilla menetelmillä ratkaista eri kaasujen pitoisuuksia ilmakehässä. GOMOSin tärkein mittauskohde on ilmakehän otsonipitoisuus noin 10-100 kilometrin korkeudella. GOMOS mittaa myös muita ilmakehän pienkaasuja, aerosoleja ja lämpötilaa. Otsonikerroksen merkitys on suuri maapallon elämälle, sillä se suojaa maapalloa haitalliselta UV-säteilyltä.
MCMC-menetelmää on 1990-luvulta lähtien käytetty tilastollisten inversio-ongelmien ratkaisuun. Menetelmällä arvotaan pisteitä jakaumasta, joka kuvaa inversio-ongelman ratkaisua. GOMOSin tapauksessa arvotaan pisteitä esimerkiksi otsonipitoisuuden todennäköisyysjakaumasta. Tällaisia arpomiseen perustuvia menetelmiä kutsutaan Monte Carlo -menetelmiksi. Nimensä ne ovat saaneet kuuluisan pelikasinon mukaan. Tammisen väitöstyössä on erityisesti kehitetty itsestään mukautuvia eli adaptiivisa MCMC-algoritmeja, joiden avulla MCMC-menetelmää on ollut mahdollista soveltaa käytännössä GOMOS-laitteen mittausaineistojen tulkintaan. Näitä adaptiivisia algoritmeja voidaan myös helposti soveltaa muihinkin käytännön ongelmiin.

Johanna Tamminen on syntynyt vuonna 1966 Helsingissä. Hän on kirjoittanut ylioppilaaksi Myllyharjun lukiosta Loviisasta vuonna 1985. Tamminen väittelee Helsingin yliopiston matematiikan laitoksella Exactumissa, Gustaf Hällströmin katu 2b, perjantaina 29. lokakuuta klo 10.00. Väitöskirja kuuluu sovelletun matematiikan alaan. Väitöskirjan otsikko on Adaptive Markov chain Monte Carlo algorithms with geophysical applications ja se kuuluu sovelletun matematiikan alaan.

Lisätietoja:

Tutkija Johanna Tamminen, puh. (09) 1929 4665 tai 040 737 8733