Light scattering in dense particulate media

Physical characterization of planetary objects would be accelerated by the capability of simulating light scattering from an arbitrary dense multiparticle medium. Even though exact methods that solve the Maxwell equations exist, such as the superposition T-matrix method (STMM), they are too compute-intensive to be applied to large macroscale objects such as an asteroid or a planetary surface. In the thesis, radiative transfer (RT) based tools are developed, studied, and offered as an approximation to simulate light scattering from dense particulate media. The RT theory has been derived for the sparse random medium, and it fails when applied to the dense random medium. In order to extend the applicability to dense random media, we have been working with the incoherent volume-element treatment for the RT called the radiative transfer with reciprocal transactions (R²T²). Instead of using a single particle as the diffuse scatterer in the RT, the properties of the incoherent volume elements are used. These properties are computed from the incoherent electric fields extracted by subtracting the coherent part from the free-space scattered electric fields. The R²T² is validated by simulating various dense random media for which the STMM is still applicable. In the geometric optics regime, there are the generalized Snel's law and Fresnel matrices that can be used to simulate light scattering from large objects. For dense particulate media, the computation can be slow, so diffuse scattering as a tool to speed up the computation is studied. Previous studies have included surface roughness with approximate functions, but here a layer of particles is added on top of the diffusely scattering medium. We replace the classical extinction mean free path with more informative extinction distance distribution that is gathered numerically. The comparison between the RT model, our model, and the "ground truth", in which only the generalized Snel's law and Fresnel matrices are used, reveal that our model works better than the RT model. Even though the computational methods are validated against each other, the methods need to be validated experimentally against controlled samples with well-known physical properties in order to be a reliable source of information. For the validation of the R²T², we computationally simulated a well-controlled sample of which the light-scattering characteristics have been measured. Although the phase function of the simulation and measurement match well, the other scattering characteristics, seem to reveal small discrepancies between the model and the measurements. Still, the various computational validations and this experimental validation show that the R²T² works well and can be used in the near future as a characterization tool.Tiheän monipartikkelipinnan valonsirontaominaisuuksien tarkka simulointi nopeuttaisi Aurinkokunnan kappaleiden pintojen ominaisuuksien kartoittamista. Nykyiset eksaktit teoreettiset menetelmät pystyvät ratkaisemaan valonsirontaongelmat numeerisesti, mutta ne ovat laskennallisesti raskaita monipartikkelisysteemeille. Valonsironta tiheistä monipartikkelipinnoista, kuten asteroidien pinnoista, täytyy siis ratkaista käyttämällä approksimatiivisia menetelmiä, joissa valonsironnan fysiikka on yksinkertaistettu. Säteilynkuljetusteoria on johdettu Maxwellin yhtälöistä olettamalla sirottava systeemi harvaksi ja siksi menetelmä tuottaa virheellisiä tuloksia tiheillä väliaineilla. Ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin tiheiden väliaineiden säteilynkuljetus R²T² (engl. Radiative transfer with reciprocal transactions), jossa yksittäinen sirottava partikkeli on korvattu epäkoherenteilla tilavuuselementeillä. Tässä väitöskirjassa esitellyt julkaisut näyttävät menetelmän laajentavan säteilynkuljetuksen käyttöaluetta vertailemalla R²T²:n, eksaktien menetelmien ja normaalin säteilynkuljetuksen tuloksia. Lisäksi R²T²:ta sovellettiin todellisen kappaleen valonsirontaominaisuuksien laskemiseen, millä osoitettiin, että menetelmää voidaan käyttää lähitulevaisuudessa pintojen karakterisointiin. Geometrisen optiikan alueella partikkelit ovat suuria aallonpituuteen verrattuna, ja siksi säteenseurantaa voidaan käyttää valonsirontaongelman ratkaisemiseen. Säteenseurannassa valonsäde voi jakautua jokaisen sirontaprosessin yhteydessä, mikä tekee menetelmästä laskennallisesti raskaan. Ongelman lieventämiseksi säteilynkuljetuksen käyttämistä säteenseurannan tukena tutkittiin, missä osa kappaleesta korvattiin tilastollisena väliaineena. Vertailut menetelmien välillä osoittivat, että menetelmä nopeuttaa simulaatiota ilman merkittävää tarkkuuden menettämistä

Mid-summer bare fallow effective in controlling perennial weeds

The results of this study suggest that stubble cultivation before ploughing is the most effective way to reduce the amount of E. repens when bringing the long-term ley to an end

First records of spiders (Araneae) Baryphyma gowerense (Locket, 1965) (Linyphiidae), Entelecara flavipes (Blackwall, 1834) (Linyphiidae) and Rugathodes instabilis (O. P.-Cambridge, 1871) (Theridiidae) in Finland

Baryphyma gowerense (Locket, 1965), Entelecara flavipes (Blackwall, 1834) and Rugathodes instabilis (O. P.-Cambridge, 1871) are reported for the first time in Finland. The first species was found by pitfall trapping on a wide aapa mire in Lapland and the two others by sweep netting on hemiboreal meadows on the Finnish south coast. The spider assemblages of the sites are described

Facebook-keskustelu vuorovaikutteisena genrenä

Teknologian kehitys ja tietokoneiden yleistyminen on tehnyt tietokoneiden ja Internetin välityksellä tapahtuvasta ihmisten välisestä vuorovaikutuksesta arkipäiväistä. Erilaiset sosiaalisen median välineet ovat tähän soveltuvia uusia tapoja tuottaa vuorovaikutusta. Sosiaalisesta mediasta tällä hetkellä suosituin on Internet-sivusto Facebook, joka mahdollistaa monenlaisen ihmisten välisen vuorovaikutuksen. Suosiostaan huolimatta Facebook ei ole vielä päätynyt kielitieteellisen tutkimuksen kohteeksi kovinkaan usein. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkimuskohteena on juuri Facebook. Aineistona on suomalaisen rockyhtye CMX:n Facebook-sivulta kerätyt keskustelut. Tavoitteena on tutkia ja kuvata Facebook-keskustelun genreä ja sen rakentumista. Facebook-keskusteluksi on tässä tutkielmassa ymmärretty Facebook-sivuilla oleva statuspäivitys ja sitä seuraava kommentointi. Keskiössä on statuspäivitysten tarkastelu, ja tarkoituksena onkin kuvata Facebook-keskustelua ennen kaikkea vuorovaikutteisena genrenä. Tutkielman teoreettinen viitekehys muodostuu genreanalyysista ja keskustelunanalyysista. Keskustelunanalyysin ja osin puheaktiteorian avulla tarkastellaan kommenteissa tehtäviä toimintoja. Tätä kautta tarkastellaan ja hahmotellaan, millaisia genren funktionaalisia jaksoja, joiden kautta genre käsitetään rakentuvaksi, on löydettävissä. Tutkimuksessa Facebook-keskustelun genren on hahmoteltu rakentuvan neljän eri funktionaalisen jakson kautta. Jaksot ovat: tiedon tavoittelu, toiveet ja ehdotukset, myötämielisyyden ja kannustuksen ilmaiseminen sekä virheellisyyksien osoittaminen. Nämä jaksot voidaan nähdä omalla tavallaan tavoitteellisina. Tutkimus osoittaa myös Facebook-keskustelun genren olevan erityisen vuorovaikutteinen ja keskusteleva.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Tarkkoihin vuorovaikutuksiin perustuva säteilynkuljetus tiheissä väliaineissa

Sähkömagneettisen aallon käyttäytymisen simuloimisesta on tullut tärkeä työkalu nykyaikana. Laskentaresurssien kasvu on mahdollistanut Maxwellin yhtälöiden ratkaisemisen mitä monimutkaisemmille systeemeille ilman, että systeemiä tarvittaisiin fyysisesti rakentaa. Tästä on hyötyä tähtitieteelle, sillä kaukaisten kohteiden ominaisuuksia voidaan tutkia vertaamalla kohteesta sironnutta valoa laskennalliseen dataan. Ongelmana laskennallisen datan tuottamisessa on, että sähkömagneettisen aallon käyttäytymistä kuvaavia Maxwellin yhtälöitä ei pystytä ratkaisemaan nykyisillä menetelmillä eksaktisti, kun mallinnettava kohde on suuri. Tästä syystä ongelmaa pitää yksinkertaistaa, kuten tehdään säteilynkuljetusohjelmissa. Säteilynkuljetusohjelmissa seurataan sähkömagneettisen aallon kulkua aineessa ja näin pyritään ratkaisemaan, kuinka aine sirottaa säteilyä. Säteilynkuljetusohjelmat onnistuvat ratkaisemaan harvojen aineiden sirontaongelmia, koska sirottajien väliset vuorovaikutusten oletetaan tapahtuvan kaukokenttien kautta, mikä on pätevä approksimaatio harvojen aineiden tapauksessa. Tiheiden aineiden sirontaongelmissa lähikenttien vaikutusta ei voi kuitenkaan sivuuttaa ja siksi säteilynkuljetuksen tulokset tiheille aineille eroavat eksaktista ratkaisusta huomattavasti. Tässä pro gradu -tutkielmassa on esitetty uudenlaisen säteilynkuljetusohjelma R²T² (Radiative Transfer with Reciprocal Transactions) kehitystyötä. Oletamme, että käyttämällä niin sanottua vapaan avaruuden sirontakenttää kaukokenttien sijaan, pystymme laskemaan säteilynkuljetusohjelma R²T²:lla myös tiheiden aineiden sirontaongelmia. Sähkökentät esitetään palloharmonisilla funktioilla ja säteilynkuljetuksessa yksittäiset sirottajat korvataan palloklustereilla, joiden väliset vuorovaikutukset lasketaan käyttämällä superpositio T-matriisimenetelmää. Tutkielmassa perehdytään säteilynkuljetusyhtälön johtoon, sähkömagneettisen kentän esittämiseen palloharmonisilla funktioilla ja superpositio T-matriisimenetelmään. Tutkielmassa käydään läpi R²T²:n algoritmia, jatkosuunnitelmia ja näytetään, että R²T² onnistuu kelvollisesti ratkaisemaan absorboimattomien aineiden ongelmia. Absorption huomioiminen vaatii kuitenkin vielä menetelmän jatkokehitystä

Scattering of light by dense particulate media in the geometric optics regime

We present a hybrid radiative transfer geometric optics approximation to model multiple light scattering in arbitrary finite discrete random media in the geometric optics regime. In the hybrid model, the medium is divided into a mantle composed of discrete particles and into a diffusely scattering core. In the mantle, multiple scattering is handled by using a ray-tracing algorithm with the generalized Snel’s law for inhomogeneous waves, whereas, in the core, ray tracing with diffuse scatterers is incorporated to approximate multiple scattering and absorption. The extinction distances required to compute the scattering in the core are derived numerically by tracing the distances of the scattering and absorption events instead of using the classical extinction mean free path length. We have written a new framework that can treat arbitrary meshes consisting of watertight surface meshes with multiple diffuse scatterers and refractive indices. Comparison between the “ground truth” obtained from pure geometric optics ray tracing, the solutions obtained by using radiative transfer, and the hybrid model show that the hybrid model can produce better results, particularly, if a densely-packed medium is studied. In the future, the new approximation could be used to solve light scattering from larger media, such as asteroid surfaces, that are out of reach for the pure geometric optics methods due to their computational complexity.Peer reviewe

Walckenaeria furcillata (Menge, 1869) and Walckenaeria lepida (Kulczynski, 1885) in Finland (Araneae, Linyphiidae)

Walckenaeria furcillata (Menge, 1869) and W. lepida (Kulczynski, 1885) are reported from Finland. Their diagnostics with figures, and distributions and ecological requirements are given. Comparative drawings of genitalia for closely related W. lepida and W. unicornis O. P.-Cambridge, 1861 are presented. The identity of “Pseudotigellinus” subadults figured by Palmgren (1976) is discussed

Multiple Scattering in Discrete Random Media Using First-Order Incoherent Interactions

Peer reviewe

How much is enough? : The convergence of finite sample scattering properties to those of infinite media

We study the scattering properties of a cloud of particles. The particles are spherical, close to the incident wavelength in size, have a high albedo, and are randomly packed to 20% volume density. We show, using both numerically exact methods for solving the Maxwell equations and radiative-transfer-approximation methods, that the scattering properties of the cloud converge after about ten million particles in the system. After that, the backward-scattered properties of the system should estimate the properties of a macroscopic, practically infinite system. (C) 2021 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)Peer reviewe