Thesis (doctoral)--Helsinki University of Technology, 2005. / Includes bibliographical references. Also available on the World Wide Web. Myös verkkojulkaisuna.

Thesis (Ph. D.)--Helsingin yliopisto, 2004. / Includes bibliographical references. Dissertation only (first 54 pages) also available online.

Diss. -- Helsingin yliopisto. / Myös paperimuodossa (ISBN 952-10-2610-3).

Abstract Numerous efforts have been made in recent decades to recover the climate history of the Arctic region. The present PhD study is one of them, focusing on terrestrial sediments which were deposited in the Arctic Ocean during the Cenozoic. The Arctic Ocean, surrounded by land on all sides, is among the most important marine archives of sediments that record information of palaeoclimates, including cold climates with extensive glaciation. Evidence of ancient glaciations is generally retraced by observing widespread terrestrial ice-rafted debris (IRD) deposits on the seafloor, as large amounts of IRD are transported by icebergs during deglacial phases. However, it has been shown that sea ice also transports abundant IRD from shallow continental shelves. What is worth noticing is that glaciers and sea ice influence climate variables differently, and therefore, to model climate in past glaciations, IRD released from these factors should be differentiated. The relative proportions of glacial IRD and non-glacial IRD were determined in this study from two central Arctic Ocean expedition site recoveries: the Integrated Ocean Drilling Program’s (IODP) Arctic Coring Expedition (ACEX) 302 composite core recovery and the Swedish Polar Research Expedition’s Arctic Ocean 1996 (AO96) piston core 96/12-1pc. The main objective was to characterise and quantify the process- and environment-related microtextures of quartz sand grain surfaces. The data were subjected to statistical methods and a multiproxy approach, and the results were used to define the dynamics and timing of palaeoglaciations. The results indicate that the signals of glacial and non-glacial continental processes and the involvement of iceberg versus sea-ice rafting can be distinguished by microtextural and statistical analyses. Improvements in the general interpretation of late Pleistocene Eurasian ice sheet distribution and dynamics are provided: late MIS 4 (ca. 62–67 ka) reflects a deglacial phase with increased fluvial activity, whereas MIS 3 at ca. 45 ka is related to glacial advance characterised by the oscillating and calving Barents-Kara ice sheet. Based on the results of this study, the early glacial ice on the Arctic continent can be retraced back to the late Palaeocene ca. 56 Ma. / Tiivistelmä Arktisen alueen ilmastohistoriaa on pyritty selvittämään usein eri tavoin viime vuosikymmenten aikana. Tässä tutkimuksessa on keskitytty Jäämereen kerrostuneiden mantereelta peräisin olevien sedimenttien ominaisuuksiin. Jäämeri on yksi tärkeimmistä mannerten ympäröimistä merialueista jonka pohjan sedimentteihin on tallentunut tietoa menneistä ilmasto-oloista, kuten laajoista jäätiköitymisistä. Jään kuljettaman sedimenttiaineksen runsas esiintyminen merenpohjan kerrostumissa on yleisesti tulkittu todisteeksi menneistä jäätiköitymisistä, sillä jäävuorikuljetus on runsainta mannerjäätikön sulamisvaiheessa. Myös merijää voi kuljettaa runsaasti sedimenttiainesta joka on peräisin matalalta mannerjalustavyöhykkeeltä. Jäätiköiden ja merijään vaikutus ilmastomuuttujiin on hyvin erilainen ja siksi on tärkeää selvittää niiden osallisuus eri ilmastovaiheissa. Tässä tutkimuksessa määritettiin jäävuorien ja merijään kuljettaman sedimenttiaineksen suhteelliset osuudet kahdesta keskeisen Jäämeren tutkimusmatkan kaira-aineistosta: Integrated Ocean Drilling Program (IODP) -ohjelman Arctic Coring Expedition 302 (ACEX) -tutkimusmatkan yhdistetystä kaira-aineistosta ja Swedish Polar Research Expedition Arctic Ocean 1996 (AO96) -tutkimusmatkan kaira-aineistosta 96/12-1pc. Tärkein tavoite oli kuvata ja laskennallisesti määrittää kvartsihiekkarakeiden pintamikrotekstuurit, jotka ovat syntyneet erilaisissa prosesseissa ja ympäristöissä. Aineistoa tarkasteltiin tilastollisin- ja moniaineistomenetelmin, ja tuloksia käytettiin jäätiköiden dynamiikan ja ajoituksen määrittämiseen. Tämän tutkimuksen johtopäätöksenä voidaan todeta että jäätikköön ja ei-jäätikköön liittyvät mantereiset prosessesit, sekä jäävuori- ja merijääkuljetuksen osallisuus, voidaan erottaa mikrotekstuuri- ja tilastollisen analyysin avulla. Tutkimus tarkentaa tulkintoja myöhäis-Pleistoseenin jäätiköiden alueellisesta levinneisyydestä ja dynamiikasta: myöhäinen MIS 4 (noin 62–67 ka) oli deglasiaalivaihetta jolloin fluviaalitoiminta oli aktiivista, kun taas MIS 3 noin 45 ka liittyy jäätiköitymisvaiheeseen jolloin Barentsin-Karan jääkenttä oskilloi ja jäävuorikuljetus oli runsasta. Tutkimuksen tuloksena voidaan myös tarkentaa varhaisten Arktisten jäätiköitymisten ajankohta myöhäiseen Paleoseeniin noin 56 Ma.

Abstract A conceptual framework was developed to assess how changes in temperature and precipitation affect sub-surface hydrology, groundwater recharge, groundwater quantity and quality. A conceptual and statistical approach was developed to predict groundwater level variations. Daily rainfall, snowmelt and evapotranspiration values were generated with a novel conceptual hydrological model developed in this study. These values were cross-correlated with observed groundwater levels to find representative time lags and significant correlations. A statistical model linking rainfall, snowmelt, evapotranspiration and groundwater level was then developed and validated. The model simulated seasonal variations in groundwater level very accurately. A sequential approach was developed to assess surface water-groundwater interactions. The simulated surface water level estimated with the WSFS model and recharge estimated with CoupModel were linked to the groundwater flow model MODFLOW. Groundwater, surface water and snow samples were collected to study the chemical composition of groundwater in an unconfined esker aquifer in Northern Finland. Concentrations of Ca2+, Cl-, NO3-N and SiO2 and electrical conductivity were determined. Water quality in the main aquifer was found to be similar to that in the perched groundwater. Solute concentrations generally decreased during and immediately after snowmelt periods, indicating the importance of snowmelt input for groundwater quality. In the perched groundwater, NO3-N concentration increased with elevated groundwater level, indicating a nitrogen source on the land surface. The Cl- concentration in groundwater decreased when the surface water level rose higher than groundwater level. According to simulation results for the A1B climate change scenario, groundwater recharge is projected to increase in winter months due to increased snowmelt and decreased soil frost depth. The spring snowmelt peak in late spring will decrease. This will reduce aquifer storage in early spring, increasing the vulnerability to summer droughts. It is projected that flow regimes between unconfined aquifers and surface water may change, affecting water quantity and possibly quality in groundwater systems. / Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin konseptuaalinen viitekehysmalli, jolla voidaan arvioida kuinka muutokset lämpötilassa ja sadannassa vaikuttavat hydrologiaan, pohjaveden muodostumiseen, pohjaveden määrään ja laatuun. Tässä työssä kehitettiin ja yhdistettiin konseptuaalinen ja tilastomatemaattinen regressiomalli, jolla voidaan simuloida pohjaveden pinnankorkeuden muutoksia. Konseptuaalisella mallilla laskettiin päivittäinen sadanta, lumen sulanta ja haihdunta. Havaitut pohjaveden pinnankorkeudet korreloitiin sadannan, lumen sulannan ja haihdunnan kanssa, jotta löydettiin merkitsevät korrelaatiot tyypillisillä viiveillä. Lopuksi tilastollinen regressiomalli, joka yhdistää sadannan, lumen sulannan, haihdunnan ja pohjaveden pinnankorkeuden, kalibroitiin ja validoitiin. Kehitetyllä mallilla onnistuttiin simuloimaan vuodenaikainen pohjaveden pinnankorkeus. Yhdensuuntainen mallinnusmenetelmä kehitettiin arvioimaan pinta- ja pohjaveden vuorovaikutusta. Menetelmässä pintaveden korkeus ja pohjaveden muodostuminen linkitettiin ajan suhteen muuttuvina reunaehtoina pohjavedenvirtauksen mallinnusohjelmaan MODFLOW. Simuloidut pintaveden pinnankorkeudet saatiin Suomen ympäristökeskuksen vesistömallijärjestelmästä ja pohjaveden muodostuminen simuloitiin 1D lämmön- ja aineensiirtomallilla, CoupModel. Pudasjärven Törrönkankaan pohjavesimuodostumasta, Pudasjärvestä, Kivarinjoesta ja lumesta kerättiin näytteet ja niistä määritettiin Ca2+, Cl-, NO3-N ja SiO2 pitoisuudet sekä sähkönjohtavuus. Pitoisuudet pohja- ja salpavedessä olivat hyvin samanlaiset. Pitoisuudet yleisesti pienenivät, kun pohjaveden pinnankorkeus nousi etenkin keväisin lumien sulamisen jälkeen. Ainoastaan salpavedessä NO3-N pitoisuus kasvoi, kun pohjaveden pinnankorkeus nousi. Tämä johtuu todennäköisesti salpaveden yläpuolella olevasta NO3-N lähteestä. Cl- pitoisuus pohjavedessä pieneni, kun pintaveden korkeus nousi korkeammalle kuin pohjavesi. A1B ilmastoskenaariossa pohjaveden muodostumisen ennakoidaan lisääntyvän talvikuukausina. Tämä johtuu lumen sulannan lisääntymisestä ja roudan vähenemisestä. Keväinen lumen sulamisen huippu voi mahdollisesti pienentyä ja johtaa pohjavesivarojen pienentymiseen keväisin. A1B ilmastoskenaariossa pinta- ja pohjaveden vuorovaikutus voi myös muuttua ja siten vaikuttaa pohjaveden määrään ja mahdollisesti myös laatuun.

Abstract The purpose of the study was to examine the cold-induced effects on pineal and thyroid hormones, as well as the associations of these hormones with psychological performance and to determine how psychological performance could be affected by demographic, anthropometric, physiological or biochemical measures during cold acclimatisation. The feasibility of urinary melatonin (MT), rather than 6-sulphatoxymelatonin (aMT6s), as an indicator of MT secretion was also examined. In the laboratory study, seasonal cold acclimatisation, its effects on hormones and their associations with mood and cognition were assessed in 15 young urban subjects exposed to cold in winter or summer in bright or dim light. In the field study, the associations of mood and cognition with demographic, anthropometric, physiological and biochemical measures were determined in healthy, euthyroid subjects (n = 133) in Antarctica in the beginning and at the end of summer and winter seasons. In both seasons, simple task performance was consistently impaired in the cold in experimental and field conditions. In complex tasks, negative, positive and mixed effects were observed. In the experimental study, serum MT and thyroid hormone levels were positively associated with mood. MT was negatively associated with simple task performance. Free triiodothyronine (T3) and thyrotropin (TSH) had mixed effects on simple task performance. TSH was positively associated with complex task performance. In the field study, higher age was associated with impaired cognition, especially in complex task performance. Total T3 was positively associated with mood and total thyroxine (T4) with complex task accuracy. Both urinary MT and aMT6s were good indicators of MT secretion, but the variation was smaller for MT. In conclusion, the associations of serum MT, TSH and thyroid hormone levels with mood and cognition found in experimental and field conditions are consistent with the psychological changes associated with the onset and consequent stages of the previously established polar T3 syndrome. In the field study, cognition and mood were associated with subject’s age and gender, which seemed to affect the physiological changes during acclimatisation to cold and darkness in Antarctica. / Tiivistelmä Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kylmäaltistuksen aiheuttamia muutoksia käpy- ja kilpirauhasen hormonien tasoissa, hormonien yhteyttä psyykkiseen toimintakykyyn sekä demografisten, antropometristen, fysiologisten ja biokemiallisten tekijöiden yhteyttä psyykkiseen toimintakykyyn kylmäakklimatisaation aikana. Lisäksi verrattiin virtsan melatoniinin (MT) ja 6-sulfatoksimelatoniinin (aMT6s) soveltuvuutta MT-erityksen kuvaajina. Laboratoriotutkimuksessa selvitettiin talveen liittyvää kylmäsopeutumista, sen vaikutusta hormonitasoihin ja näiden yhteyttä mielialaan ja älylliseen toimintakykyyn 15 nuorella miehellä, jotka altistettiin kylmälle talvella ja kesällä sekä kirkkaassa että hämärässä valossa. Kenttäkokeessa Antarktiksella selvitettiin mielialan ja älyllisen toimintakyvyn sekä demografisten, antropometristen, fysiologisten ja biokemiallisten tekijöiden välistä yhteyttä terveillä henkilöillä (n =  133) kesä- ja talvikauden alussa ja lopussa. Suoriutuminen yksinkertaisista tehtävistä huononi kylmässä kesällä ja talvella sekä laboratorio- että kenttäoloissa. Kylmä vaikutti monimutkaisista tehtävistä suoriutumiseen vaihtelevasti. Laboratoriotutkimuksessa seerumin MT- ja kilpirauhashormonitasot korreloivat positiivisesti mielialan kanssa. MT korreloi negatiivisesti yksinkertaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Vapaa trijodotyroniini (T3) ja tyrotropiini (TSH) korreloivat vaihtelevasti yksinkertaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. TSH korreloi positiivisesti monimutkaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Kenttätutkimuksessa korkeampi ikä oli yhteydessä huonontuneeseeen älylliseen toimintakykyyn erityisesti monimutkaisissa tehtävissä. T3:n kokonaismäärä korreloi positiivisesti mielialan ja tyroksiinin (T4) kokonaismäärä monimutkaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Sekä virtsan MT että aMT6s olivat hyviä MT-erityksen mittareita, mutta MT:ssa vaihtelu oli pienempää. Laboratorio- ja kenttäolosuhteissa havaitut MT:n, TSH:n ja kilpirauhashormonien yhteydet mielialaan ja älylliseen toimintakykyyn vahvistavat aiemmin havaittuja tuloksia polaarisen T3 -oireyhtymän synnystä ja oireyhtymän eri vaiheisiin liittyvistä psyykkisistä muutoksista. Kenttätutkimuksessa mieliala ja älyllinen toimintakyky olivat yhteydessä koehenkilön ikään ja sukupuoleen, jotka puolestaan voivat vaikuttaa fysiologisiin muutoksiin kylmään ilmastoon ja pimeyteen sopeutumisen aikana.

Abstract Peatland drainage for forestry, agriculture and peat extraction results in runoff rich in organic matter, sediments and nutrients. This has a significant effect on downstream ecosystems. Therefore, water purification using sedimentation basins and wetlands is required in environmental permits for peat extraction in Finland, to reduce downstream impacts. Due to increasingly strict environmental regulations, more advanced water purification methods need to be developed. Using field measurements, laboratory experiments and hydrological/hydraulic modelling, this thesis sought to develop new methods based on: i) more refined hydrological information related to runoff and pollutant load control and ii) hydraulic design of sedimentation basins used in chemical purification. The hydrology of three peatland forestry and two drained peat extraction areas in northern Finland was studied and simulated using the DRAINMOD 6.1 hydrological model. Watertable depth (WTD) and drainage outflow were recorded continuously during several years and the data were used for model calibration and validation. Despite some under- and over-estimation of certain events, WTD fluctuations were simulated quite accurately for all peatland areas. The results demonstrated that DRAINMOD 6.1 can satisfactorily simulate WTD fluctuations in a cold climate such as northern Finland, but the model did not simulate drainage outflow adequately. Chemical treatment facilities were optimised using 3D computational fluid dynamic (CFD) models. COMSOL Multiphysics 5.1 was employed to evaluate the influence of inlet design on treatment efficiency in commonly used treatment basins without any barrier, and for optimization of barrier design through gravity-driven hydraulic flocculators. The results showed that inlet design had a significant effect on treatment efficiency. Several barrier designs were simulated and the best combination was tested for different distances between barriers, to find a geometry ratio and flow depth producing optimal mixing conditions for the treatment process. / Tiivistelmä Turvemaiden ojitus metsätaloutta, maataloutta ja turvetuotantoa varten lisää orgaanisen aineen, kiintoaineineen ja ravinteiden huuhtoutumista alapuolisiin vesistöihin. Lisääntyneellä kuormituksella voi olla merkittäviä vaikutuksia vesiekosysteemeihin, minkä vuoksi turvetuotannon ympäristöluvissa vaaditaan valumavesien puhdistamista mm. laskeutusaltaiden ja pintavalutuskenttien avulla. Tiukentuneiden vesiensuojelumääräysten vuoksi tarvitaan uusia vesiensuojelumenetelmiä sekä tulee tehostaa jo käytössä olevien menetelmien toimintaa. Tämän työn tavoitteena on suositella uusia menetelmiä perustuen I) entistä tarkempaan hydrologiseen tietoon valunnasta ja vesistökuormituksesta ja II) kemiallisen vesienpuhdistuksen yhteydessä käytettävien laskeutusaltaiden hydrauliseen suunnitteluun. Tämä väitöstyö rakentuu maastossa ja laboratoriossa tehtyjen tutkimusten sekä hydrologisen/hydraulisen mallinnuksen varaan. Valuma-alueiden hydrologiaa tutkittiin ja mallinnettiin kolmella turvemetsäalueella ja kahdella turvetuotantoalueella Pohjois-Suomessa. Ojituksen hydrologisten vaikutusten arviointiin käytettiin DRAINMOD 6.1 ohjelmaa, jonka kalibrointia ja validointia varten kerättiin jatkuvatoimisilla antureilla aineistoa pohjaveden pinnankorkeuksista ja virtaamasta useiden vuosien ajalta. Mallin avulla voitiin pohjaveden pinnan vaihtelut kuvata yleisesti melko hyvin kaikilla tutkimusalueilla yksittäisistä sadanta-valuntatapahtuminen yli- tai aliarvioinneista huolimatta. Saadut tulokset osoittavat, että DRAINMOD 6.1 ohjelmalla voidaan riittävällä tarkkuudella simuloida pohjaveden pinnan vaihteluita kylmässä ilmastossa, kuten Pohjois-Suomessa, mutta malli ei soveltunut hyvin ojitusalueelta lähtevän valunnan tarkkaan määrittämiseen. Kemiallisen vesienpuhdistusrakenteiden optimointiin käytettiin COMSOL Multiphysics 5.1 ohjelmaa, jolla voidaan toteuttaa ja laskea veden virtauksia kolmessa dimensiossa (computational fluid dynamic, CFD, model). Mallilla arvioitiin kemikalointialtaan tuloaukon rakenteen vaikutuksia tyypillisesti kemikaloinnissa käytetyn allasrakenteen puhdistustehokkuuteen. Lisäksi mallilla mitoitettiin virtausesteitä optimaalisen sekoittumisolosuhteiden saamiseksi ja puhdistustehokkuuden parantamiseksi painovoimaisesti toimivissa flokkausaltaissa (hidas sekoitus). Saadut tulokset osoittavat, että laskeutusaltaiden tuloaukon rakenteella on merkittävä vaikutus kemikaloinnissa saavutettuun puhdistustehokkuuteen. Lisäksi työssä esitettiin optimaalisia virtausesteiden mitoituksia (geometria, esteiden välinen etäisyys, virtaussyvyys yms.) puhdistuksen kannalta parhaiden mahdollisten sekoitusolosuhteiden saavuttamiseksi.

Abstract This thesis describes the development of a new precipitation index-based conceptual water balance model with parameters easily regionalized through the functional relationship with catchment and climate attributes. It also presents a simple method for improving model dynamics for streamflow simulations in a non-stationary climate. The model was developed for streamflow modelling and prediction in high-latitude catchments, where model parameter regionalization is difficult due to limited availability of hydrological data for the region. The model couples a snow accumulation and melt formulation with a current precipitation index (CPI) formulation to simulate daily precipitation in runoff hydrograph pattern from catchments with seasonal snow cover. Using new runoff conversion factors CT and Lf, and a threshold flow factor ThQ, the simulated CPI hydrograph is converted into daily runoff and routed using the transformation function Maxbas. The model was developed in Microsoft Excel workbook and tested in 32 catchments in Finland, a region with considerable seasonal snow cover. The results showed that the model can adequately simulate and reproduce the dynamics of daily runoff from catchments where the underlying physical conditions are not known. In addition, incorporating temperature conditions influencing inter-annual variability in streamflow into the model structure improved its structural dynamics, thereby improving its performance in a non-stationary climate. Most model parameters showed strong relationships with observable catchment characteristics, climate characteristics, or both. The parameter functional relationships derived from the model parameter-catchment relationships produced equally good model results when applied to independent test catchments used as mock-ungauged catchments. Inclusion of snow-water equivalent records and use of multiple objective functions for snow-water equivalent and runoff simulations during model optimization helped reduce the effect of parameter equifinality, making it easier to determine optimal parameter values. The current precipitation index (CPIsnow) model is a parsimonious tool for predicting streamflow in data-limited high-latitude regions. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee yksinkertaisen sadantaan perustuvan konseptuaalisen vesitasemallin kehitystä ja soveltamista boreaalisille valuma-alueille sekä malliin liittyvää alueellista parametrisointia valuma-alueominaisuuksien ja ilmastoaineiston perusteella. Hydrologinen malli on luotu laskemaan ja ennustamaan valuntaa pohjoisille valuma-alueille, joilta on vähän hydrologista tietoa. Malli yhdistää lumen kertymisen ja sulannan tunnettuun sadantaindeksiin perustuvaan malliin (CPI) ja edelleen simuloi päivittäisen hydrografin valuma-alueille, joilla on selkeä lumipeitteinen ajanjakso. Malli laskee MaxBas funktion avulla CPI:llä muodostetun hydrografin päivittäiseksi valunnaksi valuntaan liittyvien malliparametrien CT ja Lf sekä virtaaman kynnysarvon ThQ avulla. Malli kehitettiin Excel-ympäristössä ja sitä testattiin 32 valuma-alueella Suomessa. Valuma-alueet edustivat maantieteellisesti kattavasti alueita, joilla esiintyy tyypillisesti kausittainen lumipeite. Saadut tulokset osoittivat, että kehitetty malli simuloi ja tuottaa päivittäisen valunnan riittävällä tarkkuudella valuma-alueille, vaikka hydrologista ja fysikaalista tietoa alueilta olisi niukasti. Useimmat malliparametrit olivat vahvasti riippuvaisia joko valuma-alue ominaisuuksista tai ilmastollisista parametreista tai molemmista. Parametrien funktionaalinen yhteys muodostettiin valuma-alueiden ominaisuuksien perusteella ja testattiin riippumattomalla valuma-aluejoukolla hyvin tuloksin. Malliparametrien samatavoitteellisuutta eli ekvifinaliteettiä voitiin vähentää huomioimalla mallissa lumen vesiarvomittaukset sekä hyödyntämällä useita parametrisia funktioita. Tällöin myös optimaalisten parametrien löytyminen nopeutui ja helpottui. Tämän väitöstyön pohjalta syntynyt uusi sadannan indeksiin pohjautuva laskentamalli (CPIsnow) mahdollistaa valunnan arvioinnin pieniltä valuma-alueilta, joilta on niukasti aineistoa saatavilla ja joissa lumen sulanta ja kertyminen ovat keskeisiä hydrologisia prosesseja.

Abstract Describing how and why species composition of ecological communities varies across spatial and temporal scales is a primary objective for ecological research. A key challenge is to distinguish changes in community composition resulting from external factors from the natural background variability. In this thesis I aimed to study: 1) the level of temporal variation in community composition of stream macroinvertebrates, 2) the role of different environmental factors to temporal variability, 3) the effect of temporal variability on bioassessment outcomes, and 4) comparability of different approaches to study community variability through time. A majority of the studied macroinvertebrate communities showed lower level of inter-annual variation, i.e. temporal turnover, than expected by chance. The observation of high community stability was further supported by the low level of inter-annual variation in taxonomic completeness (quotient of observed and expected number of species, O/E). Despite the low absolute variation in O/E, ecological status assessments varied annually. Thus the use of one year data may bias management decisions. Macroinvertebrate communities experienced similar dynamics across several spatial extents, from riffles within a stream to streams among regions, suggesting that large-scale extrinsic factors are the major driver of community dynamics. Especially climatically exceptional years may have a strong imprint on community variability. However, at the within-stream scale, coherence was lower than expected, indicating that community dynamics may be driven by different processes at different spatial extents. Stream macroinvertebrate community dynamics were strongly related to in-stream vegetation, temporal variability decreasing with increasing macrophyte cover. Importantly, the effect of in-stream vegetation on temporal turnover of macroinvertebrate communities was masked by the stochastic effect of habitat connectivity, suggesting that unless stochastic effects are controlled for, the role of deterministic processes may be obscured, thus affecting our ability to understand and predict community changes through time. In addition, different approaches to study temporal variability may disagree on estimates for the level of temporal turnover and factors explaining it – a fact that should be taken into account when planning and comparing studies. / Tiivistelmä Yksi ekologisen tutkimuksen keskeisistä tavoitteista on kuvata, miten ja miksi eliöyhteisöjen koostumus muuttuu paikasta ja ajankohdasta toiseen. On tärkeää pystyä erottamaan erilaisten ulkoisten tekijöiden aiheuttamat muutokset luonnollisesta taustavaihtelusta. Väitöskirjani tavoitteena oli selvittää 1) miten paljon virtavesien pohjaeläinyhteisöissä tapahtuu ajallista vaihtelua 2) mitkä ympäristötekijät vaikuttavat yhteisöjen ajalliseen vaihteluun 3) miten ajallinen vaihtelu vaikuttaa ympäristön tilan arviointiin ja 4) kuinka vertailukelpoisia ovat eri lähestymistavat ajallista vaihtelua tutkittaessa. Valtaosa tutkituista pohjaeläinyhteisöistä vaihteli vuosien välillä vähemmän kuin olisi sattumalta odotettavissa osoittaen varsin suurta ajallista pysyvyyttä. Käsitystä yhteisöjen pysyvyydestä tuki myös vähäinen vuosittainen vaihtelu ekologista tilaa kuvaavassa taksonomisessa eheydessä (=havaitun ja odotetun lajiston suhde O/E). Huolimatta näennäisen pienestä vaihtelusta O/E suhteessa paikkakohtaiset tilaluokka-arviot saattoivat vaihtua vuodesta toiseen. Yhden vuoden aineistoon perustuvat tilan arvioinnit voivat siis johtaa virheellisiin johtopäätöksiin. Pohjaeläinyhteisöjen ajallinen vaihtelu oli samankaltaista eri mittakaavoilla niin peräkkäisten koskipaikkojen kuin eri alueilla sijaitsevien purojen välillä. Suuren mittakaavan ympäristötekijät näyttävät siis säätelevän eliöyhteisöjen ajallista vaihtelua. Erityisesti ilmastotekijöiltään poikkeukselliset vuodet säätelevät eliöyhteisöjä, ja niiden vaikutus voi näkyä vielä useiden vuosien kuluttua. Vaihtelun samankaltaisuus peräkkäisten koskipaikkojen välillä oli kuitenkin odotettua pienempää. Yhteisöjä voivat siis säädellä osittain eri tekijät eri mittakaavoilla. Tutkittujen pohjaeläinyhteisöjen ajallisen vaihtelun voimakkuus liittyi erityisesti vesikasvillisuuden määrään: vaihtelu väheni kasvillisuuden lisääntyessä. Kasvillisuuden määrän vaikutus peittyi kuitenkin satunnaisten tekijöiden alle. Jos satunnaisia tekijöitä ei huomioida, deterministiset syy-seuraussuhteet voivat jäädä huomaamatta heikentäen mahdollisuuksiamme ymmärtää ja ennustaa eliöyhteisöjen vaihtelua. Lisäksi eri lähestymistavat ajallista vaihtelua tutkittaessa voivat johtaa erilaisiin arvioihin vaihtelun suuruudesta ja siihen vaikuttavista tekijöistä, mikä tulisi ottaa huomioon tutkimuksia suunnitellessa ja niiden tuloksia vertailtaessa.

Abstract In this Ph.D. thesis sediment cores from the central Arctic Ocean, southwestern Barents Sea and sediment exposures from the Kola Peninsula were investigated in order to reveal interactions between the late middle Pleistocene and late Pleistocene Arctic ice sheets, between Marine Isotope Stages 6 and 1 (MIS 6 and MIS 1). One of the main objectives of this work is to establish provenance areas for the sediments studied in the central Arctic, the southwestern (SW) Barents Sea and the Kola Peninsula, their transport mechanisms and through that their relationship to glaciations in the Arctic and to development in the Kola Peninsula during the late middle and late Pleistocene. Mineralogical and geochemical data from the core 96/12-1pc on the Lomonosov Ridge, central Arctic Ocean was studied to evaluate ice transport from circum-Arctic ice sheets and variability in sediment drainage systems associated with their decay. SW Barents Sea sediments contain important information on Late Glacial and Holocene sediment provenance characteristics in relation to ice flow patterns and ice rafting from different regional sectors. The studied SW Barents Sea sediment cores show that sediments were most likely derived from a combination of far-field Fennoscandian sources, local subcropping Mesozoic strata below the seafloor and sea ice transport. The investigation carried out on the Kola Peninsula indicates that the Eemian (MIS 5e) marine environment in the White Sea Basin and onshore coastal areas gradually changed into a glaciolacustrine environment during MIS 5d to MIS 5a. Subsequently, the Scandinavian Ice Sheet (SIS) covered the Kola Peninsula, most probably during MIS 4. The final deglaciation of the SIS on the Kola Peninsula took place, however, during the late Weichselian (MIS 2) between 16–12 ka. / Tiivistelmä Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin sedimenttikairanäytteitä keskeiseltä Jäämereltä ja Lounais-Barentsinmereltä sekä tarkasteltiin sedimenttiseurantoja Kuolan niemimaalla tarkoituksena selvittää myöhäisen keskipleistoseeni- ja myöhäispleistoseeniajan Arktisten jääkenttien keskinäiset vuorovaikutukset erityisesti merellisten isotooppivaiheiden 6 ja 1 (MIS 6 ja MIS 1) välillä. Tämän työn yhtenä päätavoitteena on määritellä sedimenttien lähdealueet keskeisellä Arktiksella, lounaisella Barentsinmerellä ja Kuolan niemimaalla, sedimenttien kuljetusmekanismit ja näiden perusteella riippuvuudet Arktisiin jäätiköihin ja Kuolan niemimaalla tapahtuneeseen myöhäiskeski- ja myöhäispleistoseenin kehitykseen. Mineraloginen ja geokemiallinen tieto Lomonosovin harjanteen kairauksesta 96/12-1pc, keskeisellä Jäämerellä on perusta arvioitaessa jääkuljetusmekanismeja ympäröiviltä sirkum-Arktisilta jäätiköiltä ja arvioitaessa valuma-alueiden osuutta suhteessa näiden jäätiköiden häviämiseen. Lounaisen Barentsinmeren sedimentit sisältävät tärkeätä tietoja viimeisen jäätiköitymisen loppuvaiheen ja holoseeni-ajan sedimenttien lähdealueista ja suhteista jäävirtauksiin ja jääkuljetukseen eri aluesektoreilta. Tutkitut Lounais-Barentsinmeren sedimentit osoittavat, että sedimentit olivat todennäköisimmin peräisin suhteellisen kaukaisilta Fennoscandian lähdealueilta, paikallisista mesotsoosista merenpohjan kerrostumista ja merijään kuljettamasta materiaalista. Kuolan niemimaalla tehty tutkimus osoittaa, että Eem-kauden (MIS 5e) meriympäristö Vienanmeren altaassa ja rannikkoalueilla vähitellen muuttui glaciolakustriseksi ympäristöksi MIS 5d:n ja MIS 5a:n välisenä aikana. Sen jälkeen Skandinavian jääkenttä (SIS) peitti Kuolan niemimaan, todennäköisimmin koko MIS:n 4 ajanjakson. SIS:n lopullinen deglasiaatio alkoi Kuolan niemimaalla kuitenkin myöhäisen Veiksel-jääkauden (MIS 2) aikana noin 16–12 ka sitten.