Abstract Anthropogenic climate change and habitat loss and deterioration affect populations worldwide. Climate warming has changed phenologies of many species across trophic levels. Some predator populations now experience temporal mismatches with their prey, as timings of peak prey abundance and of the predator’s highest food demands no longer meet. The temporal mismatch hypothesis suggests that the population’s recruitment rate is related to its degree of synchrony with the food resources needed to feed offspring. However, species’ and populations’ responses to climate warming differ. Human land use alters and destroys habitats of countless species. For example, many boreal forest bird populations have declined, presumably due to intensive forestry. It has decreased the amount of dead wood, causing a threat to saproxylic species. Identification of the key characteristics of high-quality habitats is essential for conservation planning and for developing sustainable forestry. As individuals are suspected to settle in habitats that maximize their fitness, analysis of nest site selection can be used to identify the key habitats. My dissertation concerns the impacts of climate change and habitat deterioration on boreal populations. I use hole-nesting passerines as model species. By utilizing long-term data I show that breeding phenologies of Parus major and Poecile montanus, but not of Cyanistes caeruleus, have shifted earlier. Also, the timing of the food peak has advanced, improving the synchrony between P. montanus and caterpillars. In P. major and C. caeruleus, synchrony has remained good. However, the positive effect of good synchrony on breeding success seems to be conditional, arising only in certain circumstances, such as in years of high caterpillar abundance. I suggest that in boreal populations temperature affects timing of breeding mostly as a proximate factor. The availability of standing decaying trees used for nesting sites was the most important habitat characteristic determining the nest site selection of P. montanus. Remote sensing data alone was insufficient to produce reliable models, as the ecologically important small-scale factor can only be determined by direct field surveys. Omission of forest thinning in selected forest sites would ensure the continuous availability of decaying wood with positive influence on biodiversity in managed forests. / Tiivistelmä Ihmisen aiheuttama habitaattien katoaminen ja huononeminen sekä ilmastonmuutos vaikuttavat populaatioihin kaikkialla maailmassa. Ilmaston lämpeneminen on muuttanut monien lajien fenologioita eri trofiatasoilla. Osalla saalistajalajien populaatioista suurin ravinnontarve ei enää ajoitu samaan aikaan saaliin runsaushuipun kanssa. Ajoituksen eriaikaisuus -hypoteesin mukaan todennäköisyys populaatioon rekrytoitumiselle riippuu synkronian asteesta saaliin kanssa. Ilmaston lämpenemisen vaikutuksissa lajeihin ja populaatioihin on kuitenkin vaihtelua. Ihmisen maankäyttö muuttaa ja tuhoaa lukuisien lajien elinympäristöjä. Esimerkiksi useiden boreaalisten metsien lintupopulaatioiden pienentymistä on selitetty intensiivisellä metsätaloudella. Lahopuun määrä metsissä on vähentynyt, mikä on uhka lahopuusta riippuvaisille lajeille. Korkealaatuisten habitaattien keskeisten piirteiden tunnistaminen on tärkeää luonnonsuojelun ja kestävän metsätalouden suunnittelulle. Koska yksilöiden oletetaan valitsevan niiden kelpoisuutta maksimoivia elinympäristöjä, pesäpaikanvalinta-analyysiä voidaan käyttää tärkeiden habitaattipiirteiden tunnistamiseen. Tarkastelen väitöskirjassani ilmastonmuutoksen ja habitaattien laadun vaikutuksia boreaalisiin populaatioihin. Mallilajeina käytän koloissa pesiviä varpuslintuja. Hyödyntämällä pitkäaikaisaineistoja osoitan, että lisääntymisen ajoittuminen on aikaistunut tali- ja hömötiaisella, mutta ei sinitiaisella. Myös ravintohuippu on aikaistunut, mikä on parantanut synkroniaa hömötiaisen ja sen pääasiallisen ravinnon eli toukkien välillä. Tali- ja sinitiaisella synkronia on pysynyt hyvänä. Hyvän synkronian myönteinen vaikutus lisääntymismenestykseen vaikuttaa kuitenkin ehdolliselta: se tulee esiin vain tietyissä olosuhteissa, kuten vuosina jolloin toukkia on runsaasti. Kevään lämpötilat näyttävät vaikuttavan pesinnän ajoittumiseen erityisesti proksimaattisena tekijänä. Pesäpaikkoina toimivien seisovien lahopuiden määrä on tärkein hömötiaisen pesäpaikanvalintaa määräävä tekijä. Kaukokartoitusaineisto yksinään ei riitä luotettavien mallien tuottamiseen, sillä ekologisesti tärkeät pienen skaalan tekijät voidaan kartoittaa vain suorin maastomittauksin. Metsien harventamatta jättäminen valituilla laikuilla turvaisi lahopuun jatkuvan saatavuuden, mikä vaikuttaisi myönteisesti talousmetsien biodiversiteettiin.

Abstract The subject of the thesis was to analyze by an engineering approach the global CO₂ balance and CO₂ utilisation. The aim was to apply methods and knowledge used in engineering sciences to describe the global CO₂ balance and the role of CO₂ in anthropogenic utilisation applications. Moreover barriers restricting commercialisation of new applications are discussed. These subjects were studied by literature reviews and calculations based on thermodynamics models. Engineering methods have shown to be applicable to describe the global balance of CO₂ and to define by a numerical way the Earth’s system carrying capacity. Direct and indirect actions, which mitigate the overload situation, were derived from the results. To screen out the attractive CO₂ properties in utilisation applications a mapping analysis was carried out. Properties, which enhance mass and heat transfer, are one of the most meaningful characteristics from the chemical engineering point of view. Attractive properties are often achieved at the supercritical state. Engineering thermodynamic methods were used in fluid phase determination of the case studies. Even simple methods are sufficient to advice experimental research work. The thermodynamic knowledge is the basement in creation of industrial scale chemical processes. If detailed information on system properties is needed, a model development due to the special requirements of high pressure systems and CO₂ features is required. This knowledge covers property information from all the components involved in chemical reactions. In addition to engineering knowledge successful technology transfer requires positive social structure as well. Finally, if the humankind is willing to mimic Nature and use light of the Sun as an energy source in engineering systems, development of thermodynamic methods is required also in this area. Especially the work terms, originally defined in classical mechanical thermodynamics and afterwards formulised also in other parts of the engineering fields, play a key role. If this development work is successful, we may see the shift from thermodynamics approach to ‘photodynamics’. Mitigation of global warming is a problem, which needs several kinds of activities. As a result of this study, there are listed a few engineering actions, which have a possibility to contribute to the work towards the carbon neutral society. / Tiivistelmä Väitöskirjatyössä sovelletaan insinööritieteissä käytettyjä metodeja ja tietämystä määriteltäessä ilmakehän CO₂-tase sekä antropogeenisten hyötykäyttökohteiden merkitys teollisissa prosesseissa ja globaaleissa CO₂-virroissa. Lisäksi pohditaan uusien CO₂-hyötykäyttösovellusten kaupallistamiseen liittyviä rajoitteita. Näitä aiheita on tutkittu käymällä läpi tieteellistä kirjallisuutta ja tekemällä laskelmia. Insinööritieteistä tutun taselaskennan avulla tarkastellaan ilmakehän CO₂-virtoja. Sen pohjalta määritetään numeerisesti maapallon CO₂-kantokyky. Tuloksista johdetaan suoria ja epäsuoria toimenpide-ehdotuksia, joiden avulla voidaan lieventää ilmakehän CO₂-ylikuormaa. Kartoitusmenetelmän avulla selvitetään hyötykäytön kannalta edulliset CO₂:n aineominaisuudet. Kemiantekniikan näkökulmasta ominaisuudet, jotka parantavat aineen- ja lämmönsiirtoa, ovat kiinnostavimpia. Nämä ominaisuudet tulevat esille silloin, kun fluidi on ylikriittisessä olomuodossa. Termodynaamisia laskentamenetelmiä sovelletaan esimerkkiseosten olomuodon eli faasin määrityksessä. Tulokset osoittavat, että jopa verraten yksinkertaiset menetelmät antavat tietoja, jotka auttavat ymmärtämään laboratoriokokeiden faasikäyttäytymistä. Teollisen mittakaavan kemiallisten prosessien kehityksessä ja suunnittelussa termodynamiikan hallitseminen on keskeinen edellytys. Jos CO₂:n kiinnostavia ominaisuuksia toivotaan hyödynnettävän teollisesti, korkeapaineisten systeemien termodynaamisen teorian hallinta sekä aineominaisuuksien määrittäminen kaikille systeemiin osallistuville komponenteille ja niiden seoksille nousee merkittävään asemaan. Läpikotainen teorian ja teknisten perusteiden hallitseminen ei vielä takaa menestyksellistä teknologiansiirtoa pienestä suureen mittakaavaan. Lisäksi tarvitaan myönteinen ja kannustava yhteiskuntajärjestelmä. Mikäli tavoitellaan vielä rohkeampaa kehitysnäkymää, tilannetta, jossa luonnon tavoin CO₂-prosessien energianlähteenä käytettäisiin auringonvaloa, havaitaan, että tämäkin askel edellyttäisi termodynaamista menetelmäkehitystä. Keskeinen termodynaaminen konsepti on työ. Työ siirtää energiaa ympäristön ja systeemin välillä. Tämä on määritelty jo klassisessa mekaniikassa; kappaleen siirto tietystä paikasta toiseen. Kemiantekniikassa työlle on kehitetty käyttökelpoisia kaavoja paine–tilavuus–lämpötila-systeemeihin. Mikäli työn elementit kyettäisiin määrittelemään auringonvalon fotoenergialle, avaisi se uusia näkymiä reaktiokemiaan. Silloin termodynamiikan sijaan voitaisiin ehkä mieluummin puhua 'photodynamiikasta'. Ilmaston lämpeneminen on ongelma, jonka lieventämiseen tarvitaan useanlaisia toimia. Etsittäessä tietä kohti hiilineutraalia yhteiskuntaa, insinöörit voivat avustaa suunnan löytämisessä hyödyntämällä tieteenalallaan käytettyjä metodeja ja teorioita sekä tarpeen vaatiessa kehittää niitä edelleen uusille alueille.