Dynamical Response of Small Particles to Light Scattering

Radiative torques are caused by interactions between particles and electromagnetic radiation, which is more commonly referred to as electromagnetic scattering. Radiative effects can dominate the behavior of small particles, such as cosmic dust. Radiative torques on small irregular shapes have been found to be a key candidate in aligning spinning cosmic dust grains, which in turn polarizes light passing through dust clouds and emitted by the dust, first observed over 70 years ago. Numerical methods of electrodynamics have evolved with the available computing power to be the main tool of understanding the dynamics due to the scattering process, or scattering dynamics, which is the focus of this thesis. Efficient analysis of scattering dynamics involves contemporary numerical methods, which provide numerically exact solutions of electromagnetic scattering by irregular particles. In this thesis, an overview of electromagnetic scattering and scattering dynamics is presented. In addition, the applications of scadyn, a software developed for the solution and analysis of scattering dynamics are discussed. The main applications include radiative torque alignment and optical tweezers.Sähkömagneettinen sironta on keskeinen vuorovaikutusmekanismi valon tai muun sähkömagneettisen säteilymuodon ja pienkappaleien välillä. Monet vaikuttavat arjen ilmiöt, kuten halot ja sateenkaaret, kuten myös taivaan sinisyys, on seurausta valonsironnasta. Optisten ilmiöiden lisäksi sironta aiheuttaa myös dynaamisen vasteen pienkappaleessa säteilypaineen ja -vääntömomentin muodossa. Siinä, missä säteilypaine työntää pienkappaleita, esimerkiksi komeetan pölyhännän pölyä poispäin Auringosta, säteilyvääntömomentit pyörittävät pieniä hiukkasia tehokkaasti. Lyhennettäköön säteilyvääntömomentti säteilyväännöksi. Säteilyväännöt voivat pyörittää hiukkasia, joilla on nk. optinen kätisyys, eli ne sirottavat valon eri polarisaatioasteita eri tavoin. Tähtitieteilijät havaitsivat yli 70 vuotta sitten tähtien valon polarisoituvan, kun valo kulkee pölypilvien läpi. Lisäksi pölyn itsensä emittoiman säteilyn tunnetaan olevan polarisoitunutta. Molemmat havainnot selittää pölypilvi, jonka epäsäännöllisen muotoiset pölyhiukkaset ovat keskimäärin säännönmukaisissa asennoissa, joissa enemmistö hiukkasten pisimmistä lävistäjistä on samassa tasossa. Tämänkaltainen tilanne on mekaniikan lakien mukaisesti stabiilein, kun pölyhiukkaset pyörivät. Vuosikymmenten tutkimuksen aikana on ilmennyt, että uskottavin ja yleispätevin pölyhiukkasten säännönmukaisen pyörimisen selittävä tekijä on säteilyvääntö. Erityisesti numeeristen simulaatioiden ja laskentatehon kehittyessä epäsäännöllisten hiukkasten säteilyvääntöjen ja pyörimistilan kehityksen, jota kutsuttakoon sirontadynamiikaksi, ymmärrys on kehittynyt harppauksin viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana. Tämän artikkeliväitöskirjan johdanto esittää sähkömagneettisen sironnan ja sirontadynamiikan yleisellä tasolla. Sirontadynamiikkaa mallintavan scadyn-ohjelmiston, joka on ollut keskeinen työkalu väitöskirjan laatimisessa, ominaisuuksia ja sovelluskohteita käsitellään johdanto-osuuden lopussa

Tähtienvälisen pölyn dynamiikkaa sähkömagneettisessa säteilykentässä

Tässä tutkielmassa tarkastellaan tähtienvälisen pölyn dynamiikkaa, joka kytkeytyy sähkömagneettisen säteilyn sirontaan. Klassisen mekaniikan perustavanlaatuisimpiin pyörimisyhtälöihin perustuva pölyhiukkasen dynamiikka ja sirontatapahtuman Maxwellin yhtälöistä juontuva dynaaminen perusta kytketään tutkielmassa uudella tavalla ratkaisemalla ongelmassa keskeinen sirontatapahtuma sironnan integraaliyhtälömenetelmän avulla. Lukija johdatellaan myös esiteltyyn teoriaan pohjautuvan numeerisen menetelmän äärelle. Erään olemassa olevan sironnan integraaliyhtälöesityksen toteutuksen ympärille laaditaan viitekehys Fortran-ohjelmistolle, joka laskee hilaverkon avulla mallinnetun homogeenisen hiukkasen dynamiikkaa. Tutkielman teoreettisessa osuudessa luodaan teoreettinen viitekehys mielivaltaisen muotoisen hiukkasen dynamiikalle, jossa liikeyhtälöiden voimatermit ovat seurausta sähkömagneettisesta sirontatapahtumasta. Lisäksi sirontatapahtumaan liittyvät elektrodynamiikan perusteet sekä itse sirontaongelman ratkaisu pintaintegraaliyhtälöformalismilla esitellään teoreettisessa osuudessa. Numeerisessa osuudessa esitellään hiukkasen mallinnus sekä luonnehditaan teoreettisen viitekehyksen sekä olemassa olevan pintaintegraalimenetelmän yhdistävän Fortran-ohjelmiston rakenne. Osuudessa käsitellään myös ohjelmiston toiminnan kannalta oleellisimmat algoritmit. Liikeyhtälöitä ratkaisevan Runge-Kutta-integraattorin oikea toiminta varmennetaan työssä asettamalla tunnettuja tuloksia tuottavia sidosehtoja ja vääntöjä. Kosmista ympäristöä mallintavilla alkuehdoilla pintaintegraaliyhtälömenetelmällä lasketun sirontavuorovaikutuksen määräämä dynamiikka tuottaa odotettuja tuloksia. Tulosten perusteella voidaan tulkita työssä esitetyn viitekehyksen olevan kehityskelpoinen, kun tavoitteena on mallintaa hiukkasdynamiikkaa erilaisissa kosmisissa ympäristöissä

Dynamics of Interstellar Dust Particles in Electromagnetic Radiation Fields

We establish a theoretical framework for solving the equations of motion for an arbitrarily shaped, isotropic, and homogeneous dust particle in the presence of radiation pressure. The scattering problem involved is solved by a surface integral equation method, and a rudimentary sketch of the numerical implementation is introduced with preliminary results agreeing with predictions.Peer reviewe

Polarized scattering by Gaussian random particles under radiative torques

We study the internal alignment of a statistical ensemble of Gaussian random ellipsoids with respect to the radiation direction. We solve the rigid body dynamics due to scattering forces and torques, using a numerically exact and efficient T-matrix solver for arbitrary particle shapes and compositions. We then compare the polarization of the aligned ensemble to a randomly oriented ensemble and a perfectly aligned ensemble. We find that the ensemble becomes partially aligned under monochromatic radiation and that the internal alignment has an significant effect on the intensity and polarization of the scattered light. (C) 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.Peer reviewe

Non-spherical particles in optical tweezers : A numerical solution

We present numerical methods for modeling the dynamics of arbitrarily shaped particles trapped within optical tweezers, which improve the predictive power of numerical simulations for practical use. We study the dependence of trapping on the shape and size of particles in a single continuous wave beam setup. We also consider the implications of different particle compositions, beam types and media. The major result of the study is that for different irregular particle shapes, a range of beam powers generally leads to trapping. The trapping power range depends on whether the particle can be characterized as elongated or flattened, and the range is also limited by Brownian forces.Peer reviewe

Radiative Torques of Irregular Grains : Describing the Alignment of a Grain Ensemble

The radiative torque (RAT) mechanism is the most promising way of explaining observed polarization arising from aligned grains. We explore the efficiency of the grain alignment by an anisotropic radiation flow for an extensive ensemble of grain shapes, grain sizes (a), and wavelength (lambda). We calculate the distribution of the ratios of the amplitudes of the two major components of the RATs, which is an essential parameter that is used in the theory of RAT alignment in Lazarian & Hoang. While this distribution is different for the different classes of grain shapes that we considered, the most probable values of the parameter are centered in the range of q(max) similar to 0.5-1.5. The functional form from the calculated RATs is in good agreement with the analytical model. We find that the RAT efficiency scales as (lambda/a)(-2.6) for lambda greater than or similar to 1.8a, which has a slightly shallower slope than previously found in LH07. This increases the power of predictions obtained with the RAT theory. We also confirm that superparamagnetic inclusions are necessary for achieving high degrees of alignment, and constrain the parameter space describing the requirements for achieving these alignment degrees.Peer reviewe

Rotational Disruption of Nonspherical Cometary Dust Particles by Radiative Torques

Rigorous statistical numerical analysis of the response of a nonspherical dust particle ensemble composed of aggregates of astronomical silicate is presented. It is found that the rotational disruption mechanism is not only likely to occur but to be a key element in explaining many separate observations of cometary dust. Namely, radiative torques are shown to spin-up and align cometary dust within the timescales of cometary activity. Additionally, the radiative torque alignment and disruption mechanisms within certain conditions are shown to be consistent with observations of rapid polarization of dust and spectral bluing of dust. The results indicate that radiative torques should be taken into account nearly universally when considering the evolution of cometary dust.Peer reviewe

Kesämökin peruskorjaus ja laajennus

Opinnäytetyön aiheena oli 1970-luvulla rakennetun kesämökin laajennuksen suunnittelu sekä kustannusar-vion tekeminen. Kesämökki sijaitsee Joensuun kaupungin Kuismavaaran kylässä. Idea hankkeeseen tuli työn tilaajalta. Tavoitteena oli tehdä tarvittavat rakennuslupapiirustukset, joilla voi hakea myöhemmin rakennuslupaa. Projektista tehtiin myös U-arvolaskut, lämpöhäviöiden tasauslaskelmat sekä kustannusarvio. Ensiksi tehtiin tilaajan kanssa tarveselvitys, jossa käytiin läpi tilaajan tarpeet sekä tulevat toiveet laajennuksen osalta. Tilaajan kesämökki on noin 25 m2 ja se on hieman liian pieni tilaajan tarpeisiin. Tavoitteena oli saada lisää tilaa kesämökkiin, jotta siellä olisi mukava viettää enemmän aikaa. Kun rakennuslupapiirustukset saatiin laadit-tua, tehtiin tarvittavat U-arvolaskut, lämpöhäviöiden tasauslaskelmat sekä kustannusarvio. Rakennuslupapiirustukset piirrettiin Autocad-ohjelmalla. Piirustuksista saatiin laskettua määrät, ja menekit katsottiin ROK rakennusosien kustannuksia 2015 -kirjasta. Materiaalien hinnat katsottiin taloon.com -sivustolta. U-arvojen sekä lämpöhäviöiden tasauslaskelmiin käytin niihin tarkoitettuja valmiita Excel-pohjaisia laskimia. Tässä opinnäytetyössä saatiin tuotettua tilaajalle hänen tarvitsemansa rakennuslupapiirustukset sekä kustannusarvio. Työ antaa tilaajalle hyvän pohjan viedä projekti loppuun tulevaisuudessa. Tilaaja oli tyytyväinen opinnäytetyöstä saatuihin tuloksiin