Tiedotearkisto: 2016

Väitös: Muotomallit soveltuvat hyvin pölyhiukkasten sironnan tutkimukseen

13.4.2016 13:29

Ilmatieteen laitoksen tutkija Osku Kemppinen on väitöskirjassaan tutkinut laskennallisten muotomallien avulla pölyhiukkasten valon sirontaa.

Kuva: Eija Vallinheimo

Kuva: Eija Vallinheimo

Väitöksessä on tutkittu pölyhiukkasten yksityiskohtien, kuten pinnan karheuden ja sisäisen rakenteen, vaikutusta valon sirontaan sekä näiden yksityiskohtien huomioimista yksinkertaistuksilla. Väitöskirjassa tutkittiin myös, kuinka hyvin pölyhiukkasten materiaalikoostumusta voi määrittää sirontamittauksista käyttäen yksinkertaistettuja muotomalleja.

Tulokset osoittavat, että pinnan karheudella, sekä tietyillä sisäisillä rakenteilla, kuten rautaoksidikimpaleilla ja ilmakuplilla, on selvä vaikutus sirontaominaisuuksiin. Erityisesti lidar-mittauksiin liittyvät suureet muuttuivat kymmeniä prosentteja näiden rakenteiden johdosta. Lisäksi tulevaisuudessa yleistyvät polarisaatiomittaukset ovat herkkiä pölyhiukkasten muodon ja rakenteen yksityiskohdille. Työssä osoitettiin myös, että yleisimmät materiaalikeskiarvoistusmenetelmät eivät kykene toistamaan sisäisiä rakenteita sisältävien hiukkasten sirontaominaisuuksia. "Työn keskeinen sanoma onkin, että sironnan mallintamisen alalla olisi syytä jatkaa muotomallien kehittämistä, sillä nykyiset mallit ovat ongelmallisia", tutkija Osku Kemppinen toteaa. Sirontasimulaatiot tehtiin menetelmällä, joka kuvaa hiukkasia joukkona tilavuuselementtejä, mahdollistaen suuren vapauden muodon ja koostumuksen määrittämisessä.

Työn toisessa osassa osoitettiin, että materiaalikoostumuksen määrittäminen mittauksista suoraviivaisesti käyttäen yksinkertaisia muotomalleja johtaa suuriin virheisiin. Nämä virheet kertautuvat, kun virheellisiä materiaalikoostumuksia käytetään mallintamaan auringon säteilyn käyttäytymistä ilmakehässä. "Virheet säteilymäärissä olivat kymmeniä prosentteja verrattuna oikeilla materiaalikoostumuksilla laskettuihin arvoihin."

Tieteellisten tulosten lisäksi väitöstyössä tuotettiin tiedeyhteisöä hyödyttäviä työkaluja. Tilavuuselementeiksi diskretoitujen mallihiukkasten pinnan karhentamiseen kehitetty menetelmä soveltuu lähes mielivaltaisen muotoisille hiukkasille, ja mahdollistaa tuotetun karheuden säätämisen hyvin vapaasti. Lisäksi työssä kehitettiin menetelmä todenmukaisen muotoisten epähomogeenisten pölyhiukkasmuotojen luomiseen. Tämä mahdollistaa yksittäisten hiukkasten sironnan tutkimisen lisäksi myös hiukkaspopulaatioiden sironnan tutkimisen epäsäännöllisen muotoisilla hiukkasilla.

Diplomi-insinööri Osku Kemppinen väittelee keskiviikkona 27.4.2016 klo 12 Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa, salissa AS1, Otaniementie 17, Espoo. Väitöskirjassa "Computational light scattering by atmospheric dust particles". Vastaväittäjänä toimii professori Matthew Berg, Mississippi State University, USA ja kustoksena professori Risto Nieminen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulusta.

Lisätietoja:

Tutkija Osku Kemppinen, puh. 050 463 4385, osku.kemppinen@fmi.fi