El objetivo principal de esta tesis consiste en desarrollar un metodo para medir los terminos resonantes del Hamiltoniano de un acelerador mediante la transfomada de Fourier de la posicion del haz vuelta tras vuelta. Dos aspectos fundamentales de este metodo de medida son: el efecto de la decoherencia del haz en el espectro de Fourier y la variacion longitudinal de estos terminos resonantes. Ambos se estudian analiticamente y mediante simulaciones numericas. Con el fin de probar la validez de esta tecnica se realizaron experimentos en dos aceleradores de hadrones: el SPS del CERN y el RHIC del BNL. Por ultimo se estudia como utilizar dipolos AC para que esta tecnica no sea destructiva / The aim of this thesis is to develop a beam based method to measure the Hamiltonian terms of an accelerator by precise Fast Fourier Transform (FFT) of turn-by-turn beam position data. The effect of beam decoherence on the turn-by-turn Fourier spectrum and the longitudinal variation of the resonance terms are studied analytically and via computer simulations. Experiments to validate the proposed technique are performed at the CERN SPS and at the RHIC of BNL. Finally, the improvement of replacing the single kicks by an AC dipole is analytically described

In this thesis, various aspects of different effective field theory (EFT) approximations to the Standard Model of elementary particle physics have been elaborated. The EFT's treated range from non-relativistic approximations to quantum electrodynamics (QED) and quantum chromodynamics (QCD), which can be applied if the quanta under consideration moves at velocities small compared with the speed of light, to chiral perturbation theory as well as the effective theory which emerges in the limit of a large number of colour degrees of freedom in QCD. The latter two constitute expansions in the energy of the process under investigation, and are applicable if this energy is small compared to a typical hadronic scale like, for example, the mass of the -meson. The first type of EFT's, namely NRQED and NRQCD, has been applied in chapter 2 and 3 to study the production cross section of tau lepton pairs as well as quark-antiquark pairs in electron-positron annihilation close to the production threshold, where the system is non-relativistic. In chapter 2 previous computations on tau threshold production are extended to the next-to-next-to-leading order in the velocity expansion and the full analytic form of the two-photon box amplitude, which had not been known explicitly before, is given. As an aside, in chapter 3 we discuss contributions to the total cross section of production of a heavy quark-antiquark pair which arise from intermediate states composed of light QCD degrees of freedom like light mesons or gluonia. These novel contributions constitute an advancement in the field of QCD sum rules for heavy quarks, since they point to the crucial necessity to exactly specify what is actually measured when one speaks about heavy quark production out of e+e- collisions. The second part of the thesis, chapters 4 and 5, tackles with several issues of low-energyhadronic physics. The effective approximation of QCD, chiral perturbation theory, as initially pioneered by Gasser and Leutwyler is only applicable up to energies roughly equal to the -meson mass. However, in recent years it proofed possible to extend this energy range by explicitly including higher resonance states into the effective Lagrangian. This so-called resonance chiral effective theory has been extended in chapter 3 to include a minimal odd-intrinsic parity sector constructed in such a way that it is fully compatible with short-distance QCD constraints. This is an important result for incorporating resonance fields in a chiral framework, and corrects a claim to the contrary put forward recently by other authors. As a by-product, predictions for odd-intrinsic-parity radiative decays of vector mesons in very good agreement with experiment are obtained. In the last chapter of this thesis, we move to the more crowded 1-2 Gev region in electron-positron annihilation where many more resonances need to be included in the field theoretic description. We outline the general strategy to follow in order to obtain a QCD-based parameterization of the total hadronic cross section at these energies, mainly focusing in the technical part of the analysis. A closed formula for the QCD vector-vector current correlator is proposed including contributions from resonance chiral theory at 1-loop with the odd-intrinsic-parity sector introduced before and resummation techniques. Although the practical implementation of the results shall require further investigations, this study shows that the use of EFT's of QCD in the intermediate energy region, populated by resonances, provides a powerful tool to endow the basic information of the underlying theory into the hadron phenomenology in an essentially model-independent way. / Bajo el título de "Effective field theories for heavy and light fermions" se han englobado diversos temas relacionados con la aplicación de las teorías efectivas derivadas de la Electrodinámica y la Cromodinámica Cuántica a la producción de leptones y quarks a partir de la aniquilación de un par electrón-positrón. En el primer bloque, que se ocupa de la creación de sabores pesados, se estudia el cálculo de la sección eficaz de producción de leptones tau en la región umbral, y se hace una revisión profunda de la técnica de las reglas de suma para quarks pesados. La producción electromagnética de hadrones formados por quark ligeros se aborda en la segunda parte de esta tesis. En primer lugar se presenta el procedimiento para inferir relaciones entre las constantes del Lagrangiano efectivo con resonancias y QCD para el sector de paridad-intrínseca negativa, y a continuación se deriva una expresión teórica para el correlador de dos corrientes vectoriales en la región de las resonancias, cuya parte imaginaria se relaciona con la sección eficaz hadrónica.

El gran interés suscitado por las técnicas de tratamiento óptico de la información durante las últimas décadas tiene su origen, al menos parcialmente, en la capacidad inherente que presentan los sistemas ópticos para la manipulación en paralelo a la velocidad de la luz, de señales de entrada bidimensionales, en contraste con el tratamiento en serie de los sistemas electrónicos de procesado digital. Sin embargo, los procesadores coherentes son sistemas que proporcionan una redundancia nula en el tratamiento de la información, por lo que son muy vulnerables al ruido coherente generado por la presencia de polvo o defectos en los elementos ópticos. Por todo ello, a parte de este procesado convencional, es cada vez más frecuente en óptica el diseño de dispositivos que trabajen con iluminación espacialmente incoherente y/o con luz blanca. Estos nuevos sistemas se caracterizan por una mayor insensibilidad a la falta de estabilidad mecánica lo que les permite una mejor adaptación al entorno que sus homólogos coherentes. En esta dirección, los procesadores que trabajan con luz temporalmente incoherente añaden la ventaja de poder utilizar cualquier fuente de luz de ancho de banda extenso, tales como lámparas incandescentes, diodos emisores de luz, etc. Estos dispositivos, además, están especialmente adaptados para el procesado de señales de entrada policromáticas. Sin embargo, debido a la dependencia explícita del fenómeno de difracción con la longitud de onda de la radiación incidente, el uso de luz de ancho de banda extenso conduce a la distorsión cromática de los patrones de difracción, tanto de Fresnel como de Fraunhofer, imposibilitando la utilización directa de los procesadores ópticos convencionales en el caso de luz blanca.Una forma de encarar esta situación es mediante el empleo de sistemas ópticos que sean capaces de compensar simultáneamente, para todas las longitudes de onda, la dispersión cromática inherente al fenómeno de la difracción. De este modo, un patrón de difracción debe estar localizado en un único plano y poseer la misma escala para todos los canales monocromáticos de la fuente de iluminación. Los sistemas acromáticos son aquellos dispositivos que cumplen este requisito en una aproximación a primer orden.En general, para compensar la dispersión cromática de los patrones de difracción, es necesaria la utilización de elementos ópticos fuertemente dispersivos. De entre ellos, los elementos ópticos difractivos proporcionan un amplio abanico de posibilidades al trabajar por difracción. Además, se pueden fabricar fácilmente con la tecnología actual: fotolitografía, escritura directa con láser, holografía, etcétera, por lo que su uso está muy extendido. De todos los elementos difractivos posibles, nuestro interés se centra en la utilización exclusiva de lentes difractivas. Una lentes difractiva "blazé" es un elemento puro de fase capaz de concentrar toda la energía incidente en un único foco cuando trabaja con la longitud de onda para la que ha sido diseñado. Estos elementos presentan una fuerte aberración cromática, proporcional al número de onda de la radiación incidente. Este hecho es, precisamente, el que aprovechan nuestros dispositivos para conseguir patrones de difracción acromáticos.En esta tesis doctoral hemos diseñado sistemas ópticos temporalmente incoherentes que permiten el registro acromático de patrones de difracción, tanto de Fresnel como de Fraunhofer, y el procesado óptico de señales policromáticas. El tratamiento teórico se ha realizado utilizando la teoría paraxial de la difracción y, en concreto, bajo la aproximación de Fresnel-Kirchhoff. Como primer sistema óptico, hemos diseñado un triplete híbrido refractivo-difractivo que proporciona el patrón de difracción de Fraunhofer acromático de una transparencia bidimensional. Este dispositivo carece de aberración cromática longitudinal y tiene una aberración cromática transversal es muy reducida. De hecho, es un orden de magnitud inferior que la presente en el patrón de difracción de Fraunhofer obtenido con luz policromática mediante un sistema refractivo convencional.Posteriormente, hemos reconocido una regla de paso que permite obtener patrones de difracción de Fresnel a partir de un dispositivo transformador de Fourier acromático. Para ello, basta insertar una lente difractiva adherida al objeto difractante. De este modo, en el plano de salida de nuestro dispositivo se obtiene un patrón de Fresnel acromático cuyo perfil de irradiancia varía en función de la focal de la lente difractiva pegada al objeto.Nuestro segundo objetivo, ha sido el diseño de nuevos procesadores ópticos que trabajan con objetos en color. Por un lado, hemos diseñado dos correladores que emplean como iluminación una fuente extensa de luz blanca. Este tipo de sistemas aúnan las ventajas proporcionadas por la iluminación espacialmente incoherente y las correspondientes a la utilización de fuentes de luz blanca. De este modo, procesan las distribuciones de irradiancias de señales extensas policromáticas procedentes, por ejemplo, de un monitor de televisión en color. Por último, hemos diseñado un dispositivo óptico que realiza operaciones de procesado espacialmente variante de objetos en policromáticos utilizando una fuente de iluminación espacialmente coherente y temporalmente incoherente. De este modo, somos capaces de reconocer un objeto determinado en una escena de entrada sólo cuando el mismo se ubica en la posición deseada. El resto de posiciones del patrón a detectar no son consideradas por el sistema lo que permite una discriminación mayor que la proporcionada por un sistema convencional que, al ser espacialmente invariante, discrimina exclusivamente en función de la forma del objeto. Además, por tratarse de un dispositivo acromático, la distribución de irradiancia del plano de salida nos proporciona información sobre la distribución espectral del patrón reconocido en el plano de entrada. Todos estos dispositivos acromáticos han sido implementados en el laboratorio y los resultados obtenidos verifican las propuestas teóricas así como el buen funcionamiento de los mismos. / The scope of this work is the compensation of the chromatic dispersion inherent to free-space light propagation, both in the Fraunhofer and in the Fresnel diffraction region. The cornerstone of our procedure lies in achieving, in a first-order approximation, the incoherent superposition of the monochromatic versions of the selected diffraction pattern in a single plane and with the same scale for all the wavelengths of the incident light. Our first configuration, an achromatic Fourier transformer, is formed by a combination of two diffractive lenses and a refractive lens, providing an achromatic image of the Fraunhofer diffraction pattern of the input transparency. Moreover, we have recognize that any dispersion-compensated optical Fourier transformer can be adapted to achieve wavelength compensation in the Fresnel diffraction region just by inserting a diffractive lens at the input plane. In this way, we obtain another device that provides the desired achromatic Fresnel pattern by selecting the focal length of the attached diffractive lens. The resulting achromatic hybrid (diffractive-refractive) systems are applied, in a second stage, for implementing totally-incoherent optical processors. These processors have been applied to develop space-invariant achromatic pattern recognition experiments with different size of the target in the input scene. Finally, we report a hybrid chromatically-compensated Fresnel processor to perform space-variant color pattern recognition operations in a single step. All the achromatic devices were experimentally tested. In all the cases, the residual chromatic aberrations are low even when the spectrum of the incident light spreads over the whole visible region and there is a remarkable reduction of the coherent noise.

Differential Scanning Calorimetry (DSC) is one of the most widely used thermal analysis techniques for the study of transitions and relaxation processes in polymers and also in other materials. It measures the heat flow as a function of time and/or temperature, and determines the energy released or absorbed by a sample when it is heated (cooled) or maintained at a constant temperature. Its advantages are that it is fast and sensitive, the amount of sample needed is small (~mg), it could be in the liquid or solid state and the sample preparation is easier than for some other techniques. Nevertheless, it present some drawbacks, such as not being able to separate different overlapping transitions that happen in the same temperature range, the difficulty of detecting very weak transitions, or the requirement for multiple experiments to determine heat capacities that increases the experimental time needed. Temperature modulated DSC techniques (TMDSC) were introduced in the market more than 16 years ago. In these techniques a periodic temperature modulation of small amplitude is superimposed on the underlying rate of conventional DSC. This superposition gives two different heating rates: the underlying and the instantaneous due to the sinusoidal signal, thus permitting a better resolution and sensitivity (in DSC a better resolution gives a worse sensitivity and vice versa) and the evaluation of the heat capacity in real time. TMDSC is able to determine not only the total heat flow but also its two individual components usually referred to as “reversing” and “non-reversing”, thus it is possible to separate overlapped transitions. Although TMDSC offers more information than that available by DSC it also shows some drawbacks as the use of lower underlying heating rates than in conventional DSC which leads to longer experiments, or the requirement of making a separate scan for each frequency if one wishes to study, for example, the frequency dependence of a certain phenomenon. More recently, in 2005, TOPEM, a new technique of TMDSC from Mettler-Toledo, was commercialised. Instead of being based upon a periodic modulation of the heating rate, as is the situation with other TMDSC techniques, TOPEM uses a stochastic modulation of the heating or cooling rate by means of random pulses of temperature. This stochastic perturbation introduces a broad frequency spectrum in the response, which implies that TOPEM is apparently able to determine the complex heat capacity over a range of frequencies in a single scan. In the present thesis, a detailed description of the bases and operation of TOPEM is presented, showing the differences between the other calorimetric techniques, DSC and TMDSC. All the parameters which define an experiment and the parameters needed to make an evaluation of the experimental response are explained. The glass transition of polycarbonate is selected to make an initial study of the influence of all the different parameters (experimental and calculation) on the results of an experiment. Different samples are employed and different experiments by TOPEM and ADSC (TMDSC technique specific of Mettler- Toledo) are performed and compared. The limits and advantages offered by TOPEM are observed and presented here, and with a more profound understanding of the technique as a result, additional materials and transitions are studied. In the next part, an epoxy resin with a diamine is selected to be studied. The vitrification during the isothermal cure is studied by TOPEM. The results are again compared with those obtained by TMDSC and the additional information obtained is analyzed and compared with additional results obtained from the literature. With the aim to confirm some experimental data observed, a simulation is made with MATLAB to confirm the experimental results. It is found that the theoretical results not only predict the calorimetric data, but also those obtained from dielectric analysis at higher frequencies which were extracted from the literature. In the next part, the same epoxy resin with a diamine is selected. The vitrification and devitrification during the non-isothermal cure is analyzed by TOPEM. The results obtained permit to construct a CHT diagram (conversion-time-temperature) which characterized the system. As in the previous case a simulation is made with MATLAB and the theoretical results obtained compare well with the experimental data. Finally, some preliminary experiments related to other transitions are presented and are planned to be studied in the future. / La calorimetría diferencial de barrido (DSC) es una técnica ampliamente utilizada desde el año 1963 en la caracterización térmica de polímeros y otros materiales. En DSC se mide el calor absorbido o emitido por una muestra cuando es sometida a un programa de calentamiento (enfriamiento) o bien es mantenida a una temperatura constante. Sus ventajas es que es una técnica rápida, con gran sensibilidad, no requiere una preparación previa de las muestras, el tamaño de las mismas es pequeño (~mg) y pueden analizarse en estado líquido o sólido. Sin embargo, presenta algunas desventajas: no es posible detectar transiciones muy débiles, ni separar aquellas que aparecen superpuestas en el mismo rango de temperaturas y para la determinación de capacidades caloríficas exige la realización de varios experimentos separados lo que se traduce en un tiempo de experimentación en ocasiones muy largo. Hace 15 años comenzó a comercializarse la calorimetría diferencial de barrido con temperatura modulada (TMDSC). Lo que la diferencia de la calorimetría DSC convencional es que al tipo de barrido utilizado en DSC se superpone una señal periódica sinusoidal de modulación de temperatura de pequeña amplitud. Esta superposición da lugar a dos tipos de velocidad: una es la velocidad base de calentamiento (enfriamiento) y la otra de superposición de la señal modulada, algo que proporciona ciertas ventajas. Por ejemplo ofrece al mismo tiempo una buena resolución y una buena sensibilidad (en DSC la mejora de la sensibilidad lleva asociada pérdida de resolución y viceversa) o la evaluación de la capacidad calorífica a tiempo real. La TMDSC permite separar el flujo de calor total en dos componentes, reversing y non-reversing, permitiendo así separar transiciones que aparezcan superpuestas. Aunque si bien la TMDSC ofrece más información que el DSC convencional también presenta algunas desventajas como son el uso de velocidades más lentas que en DSC lo que implica tiempos de experimentación largos, o la necesidad de hacer un barrido para cada frecuencia en el caso de querer estudiar la dependencia en frecuencias de un determinado fenómeno. En el año 2005, se comenzó a comercializar TOPEM, una técnica también de temperatura modulada de Mettler-Toledo, en la que la modulación de la temperatura en lugar de ser periódica es estocástica, lo que introduce un amplio espectro de frecuencias en la respuesta cuya principal ventaja es que permite analizar la capacidad calorífica de una muestra en un rango de frecuencias realizando sólo un único barrido. En la presente tesis se ofrece una descripción de las bases del funcionamiento de TOPEM, mostrando las diferencias que presenta respecto a las mencionadas técnicas calorimétricas DSC y TMDSC. Se da una explicación detallada de todos parámetros que definen un experimento, así como los necesarios para realizar el cálculo de la respuesta experimental obtenida y otros parámetros importantes a tener en cuenta al utilizar TOPEM. En un primer estudio se selecciona la transición vítrea del policarbonato para comenzar a trabajar con la nueva técnica. Con diferentes muestras y realizando experimentos tanto de TOPEM como de ADSC (nombre de la técnica TMDSC específica de la casa comercial Mettler-Toledo) se comparan los resultados obtenidos con ambas técnicas. Se realiza un minucioso análisis de la influencia de los parámetros experimentales y de evaluación en los resultados obtenidos. Se observan y presentan los límites y ventajas ofrecidos por TOPEM y se establece una metodología de experimentación y evaluación con el fin de trabajar con otros materiales y transiciones. En la siguiente parte, se selecciona una resina epoxi con una diamina, y se aplica la técnica a la vitrificación durante el curado isotermo. Los resultados se comparan con los obtenidos por TMDSC y la información adicional obtenida es analizada y comparada con resultados extraídos de la bibliografía. Con el fin de confirmar algunos datos, se realizó una simulación con MATLAB que además de coincidir con los resultados experimentales previos, también coincide con diferentes resultados obtenidos con análisis dieléctrico a más altas frecuencias. En la siguiente parte, la misma resina epoxi con la diamina es sometida a curados no –isotermos para estudiar su vitrificación y posterior devitrificación. Se comprobaron las ventajas ofrecidas por TOPEM y se construyó un diagrama CHT (conversión-tiempo-temperatura) para caracterizar el sistema. Como en el caso anterior, una simulación realizada con MATLAB predice los resultados obtenidos experimentalmente. Por último, se presentan algunos experimentos previos realizados con diversos materiales en los que se obtienen interesantes resultados para ser ampliados y analizados en el futuro.

High-power, continuous-wave (cw), mid-infrared (mid-IR) laser sources are of interest for variety of applications such as trace gas detection and remote sensing, which require broad spectral coverage to address the most prominent absorption features of a wide range of molecular species particularly in the mid-IR fingerprint region. On the other hand, surgical applications require high energy sources with unique pulse structure at specific wavelength in the mid-IR ranging from 6-6.5 m. Optical parametric oscillators (OPOs) offer potential sources for all the above applications. The output wavelengths of a singly-resonant oscillator (SRO) can be coarsely tuned over wide ranges through the adjustment of the nonlinear crystal temperature, phase-matching angle or, in the case of quasi-phase-matched (QPM) the first time. The high-energy CSP OPO marked the first demonstration of a compact, high-repetition-rate OPO synchronously pumped by a master oscillator power amplifier system at 1064 nm, generating an milli-joule pulses in the 6-6.5 m spectral range, which is technologically important for surgical applications. Additionally, we also demonstrated a fiber-based-green source at 532 nm, based on single-pass second harmonic generation (SHG) in MgO:sPPLT, as an alternative pump source for Ti:sapphire laser, pointing towards the future, compact fiber-laser pumped Ti:sapphire lasers. Further efforts to improve the SHG efficiency led to the development of a novel multi-crystal scheme, enabling single-pass SHG efficiency as high as 56%. This generic technique is simple and can be implemented at any wavelength. materials, the QPM grating period. The combination of SRO with a tunable pump laser allows the development of uniquely flexible and rapidly tunable class of mid-IR sources. In this thesis we have demonstrated several mid-IR OPOs in the cw as well as ultrafast picosecond regime pumped by fiber-lasers making them compact and robust. In the cw regime, we developed a high-power, Yb-fiber-laser pumped mid-IR OPO based on MgO:PPLN spanning 1506-1945 nm in the near-IR and 2304-3615 nm wavelength range in the mid-IR, efficiently addressing the thermal effects by implementing the optimum signal output coupling. Novel materials such a MgO:sPPLT, with better optical and thermal properties for cw mid-IR generation are explored. High-power broadband, cw mid-IR generation is also demonstrated by using the extended phase-matching properties of MgO:PPLN. Further, we also demonstrated a simple, inexpensive and novel interferometric technique for absolute optimization of output power from a ring optical oscillator. We deployed a picosecond Yb-fiber-laser pumped mid-IR OPO based on MgO:PPLN in ring cavity configuration to demonstrate this proof-of-principle experiment for / Fuentes coherentes de luz continua y de alta potencia en el infrarrojo-medio (mid-IR) son de gran interés por su aplicación en la detección de gases, detección remota y la observación de imágenes. Estas aplicaciones requieren un ancho de banda amplio para evidenciar las características que ofrece la absorción de una gran variedad de especies moleculares, particularmente en la región “finger print” del mid-IR. Por otra parte, fuentes altamente energéticas con pulsos que posean estructuras peculiares en rangos específicos de longitud de onda en el mid-IR, entre 6-6.5 m. , prometen características únicas para nuevas aplicaciones en cirugía. Osciladores ópticos paramétricos (OPOs) constituyen fuentes de luz versátiles y apropiadas para todas las aplicaciones mencionadas anteriormente. La longitud de En el régimen ultrarápido, hemos demostrado una nueva técnica de interferometría para la optimización absoluta de la potencia de salida de un oscilador óptico con una cavidad de anillo. Como demostración de principio, implementamos, por primera vez, un OPO de picosegundos en el mid-IR basado en MgO:PPLN con una cavidad de anillo bombeado por un láser de fibra de Yb. Además, hemos desarrollado un nuevo OPO de alta energía en el mid-IR basado en el material nolineal CSP. Esto representa la primera demostración de un OPO compacto de alta repetición sincrónicamente bombeado por un láser de estado sólido a 1064 nm generando pulsos de milijulios en el rango espectral 6-6.5 m. Esta radiación es importante para aplicaciones en cirugía. Adicionalmente, hemos demostrado una fuente verde, 532 nm, basada en láseres de fibra. Esta radiación se obtiene por medio de la generación de segundo harmónico (SHG) en un paso individual en MgO:sPPLT. Esto representa una nueva alternativa de bombeo para los láseres de Ti:sapphire que los harán compactos en el futuro. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia de segundo harmónico resultaron en el desarrollo de un novedoso esquema que utiliza múltiples cristales y permite eficiencias de SHG de paso individual del 56%. Este esquema es general y simple y puede ser implementado para cualquier longitud de onda. onda de un OPO puede ser sintonizada en regiones amplias del espectro cambiando la temperatura del cristal no-lineal, el ángulo de ajuste de fase o, al considerar materiales cuasi ajuste de fase (QPM), cambiando el periodo de red. En esta tesis, hemos demostrado una gran variedad de OPOs en el mid-IR en régimen continuo y de pulsos de picosegundo. Estos OPOs han sido bombeados por láseres de fibra permitiendo un diseño compacto y resistente. En el régimen de emisión continua, hemos implementado un OPO de alta potencia basado en MgO:PPLN bombeado por un láser de fibra. Este OPO es sintonízable en el rango 1506-1945 nm correspondiente al infrarrojo-cercano y en el rango 2304-3615 nm correspondiente al mid-IR. Esta capacidad de sintonización se logra al sobrepasar eficientemente los efectos térmicos optimizando el acoplamiento de salida. Materiales nuevos como el MgO:sPPLT, con propiedades ópticas y térmicas mejoradas para la generación de radiación continua en el mid-IR han sido estudiados. Utilizando las propiedades ajuste de la fase extendió del MgO:sPPLT, fuentes continuas de alta potencia con un gran ancho de banda en el infrarrojo-medio también han sido implementadas.

Atmospheric downwelling longwave radiation is an important component of the terrestrial energy budget; since it is strongly related with the greenhouse effect, it remarkably affects the climate. In this study, I evaluate the estimation of the downwelling longwave irradiance at the terrestrial surface for cloudless and overcast conditions using a one-dimensional radiative transfer model (RTM), specifically the Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer (SBDART). The calculations performed by using this model were compared with pyrgeometer measurements at three different European places: Girona (NE of the Iberian Peninsula), Payerne (in the East of Switzerland), and Heselbach (in the Black Forest, Germany). Several studies of sensitivity based on the radiative transfer model have shown that special attention on the input of temperature and water content profiles must be held for cloudless sky conditions; for overcast conditions, similar sensitivity studies have shown that, besides the atmospheric profiles, the cloud base height is very relevant, at least for optically thick clouds. Also, the estimation of DLR in places where radiosoundings are not available is explored, either by using the atmospheric profiles spatially interpolated from the gridded analysis data provided by European Centre of Medium-Range Weather Forecast (ECMWF), or by applying a real radiosounding of a nearby site. Calculations have been compared with measurements at all sites. During cloudless sky conditions, when radiosoundings were available, calculations show differences with measurements of -2.7 ± 3.4 Wm-2 (Payerne). While no in situ radiosoundings are available, differences between modeling and measurements were about 0.3 ± 9.4 Wm-2 (Girona). During overcast sky conditions, when in situ radiosoundings and cloud properties (derived from an algorithm that uses spectral infrared and microwave ground based measurements) were available (Black Forest), calculations show differences with measurements of -0.28 ± 2.52 Wm2. When using atmospheric profiles from the ECMWF and fixed values of liquid water path and droplet effective radius (Girona) calculations show differences with measurements of 4.0 ± 2.5 Wm2. For all analyzed sky conditions, it has been confirmed that estimations from radiative transfer modeling are remarkably better than those obtained by simple parameterizations of atmospheric emissivity. / La radiació infrarroja a l’atmosfera és una component important del balanç energètic del planeta; en estar fortament relacionada amb l’efecte hivernacle influeix de manera remarcable en el clima. En aquest estudi s’avalua la bondat de les estimacions de la irradiància infrarroja incident en superfície (DLR) fetes amb un model unidimensional de transferència radiativa, el Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer (SBDART), per a condicions de cel serè o bé completament ennuvolat. Els càlculs realitzats amb aquest model han estat comparats amb mesures de pirgeòmetre realitzades en tres emplaçaments a Europa: Girona (NE de la Península Ibèrica), Payerne (a l’est de Suïssa), i Heselbach (a la Selva Negra, Alemanya). Els estudis de sensibilitat fets amb el model de transferència radiativa han mostrat l’especial importància que tenen els perfils atmosfèrics de temperatura i contingut d’aigua en absència de núvols; per cels completament ennuvolats l’estudi de sensibilitat mostra que, a banda dels perfils atmosfèrics esmentats, l’altura de la base dels núvols és molt rellevant. S’ha estimat la DLR per indrets on no es disposava de radiosondatges, substituint-los bé per un radiosondatge proper, o bé per perfils interpolats espacialment en l’anàlisi del model de predicció meteorològica de l’European Centre of Medium-Range Weather Forecast (ECMWF). Els càlculs han estat comparats amb mesures per tots els llocs. Per condicions de cel serè, i quan es disposa de radiosondatge, els càlculs mostren una diferència amb les mesures de -2.7 ± 3.4 Wm-2 (Payerne). Quan no es disposa d’aquests perfils, la diferència entre les modelitzacions i les mesures és de 0.3 ± 9.4 Wm-2 (Girona). Per condicions de cel cobert, quan es disposa del radiosondatge i les propietats dels núvols (derivades a partir d’un algoritme que empra mesures espectrals en infraroig i en la banda de microones en superfície, Selva Negra), els càlculs mostren una diferència amb les mesures de -0.28 ± 2.52 Wm-2. Quan es fan servir els perfils del ECMWF i es fixa el valor de la columna d’aigua líquida i el radi efectiu de les gotes d’aigua (Girona) els càlculs mostren una diferència amb les mesures de 4.0 ± 2.5 Wm-2. També s’ha confirmat per totes les condicions estudiades que les estimacions amb el model de transferència radiativa són notablement millors que les obtingudes amb parametritzacions senzilles de l’emissivitat atmosfèrica.

Neutron diffraction is a powerful technique that allows to probe the structure of disordered phases across a variety of length scales. However, due to the inherent complexity of these disordered hases, the analysis of the information contained in the experimental data is not obvious. In this work, a few alternative methods are presented that allow to make the most of the neutron diffraction measurements as well as the molecular configurations obtained from molecular dynamics simulations or data modelling. They mainly consist in a Bayesian approach to fit the molecular structures measured with neutron diffraction, and a multidimensional analysis of the molecular structure probability distribution functions obtained from simulations or data modelling techniques, instead of the standard averaging over many variables. These methodologies are then applied to the structural investigation of several disordered systems in order to answer a series of open questions: the origin of the liquid-liquid transition in trans-1,2-dichloroethene (C2Cl2H2), the extreme fragility of 1,1,2,2-tetrachloro-1,2-difluoroethane's orientational glass (F-112, C2Cl4F2), the local density paradox in carbon tetrachloride (CCl4), and the roles of steric and electrostatic interactions in the short range order of the liquids of quasitetrahedral molecules, particularly trichlorobromomethane (CBrCl3) and dibromodichloromethane (CBr2Cl2). Additionally, a concise summary of the theoretical framework for neutron diffraction of disordered systems, as well as the practicalities of the experimental setup and the necessary data treatment, are also included to provide interested researchers with a self-contained overview on the topic. / La difracció de neutrons és una tècnica molt potent que permet sondar l'estructura de fases desordenades en un ventall d'escales de longitud. Tanmateix, degut a la complexitat inherent d'aquestes fases desordenades, l'anàlisi de la informació que es desprèn de les dades experimentals no és evident. En aquest treball es presenten diversos mètodes alternatius que permeten treure el màxim profit de les mesures de difracció de neutrons, així com de les configuracions moleculars obtingudes en simulacions de dinàmica molecular o del modelatge de les dades. Aquests mètodes consisteixen principalment en un enfocament bayesià en l'ajust de les estructures moleculars mesurades amb difracció de neutrons, i en una anàlisi multidimensional de les funcions de distribució de probabilitat de l'estructura molecular obtingudes en simulacions o tècniques de modelatge de dades, en comptes del mitjanat de diverses variables estàndard. Aquestes metodologies s'apliquen a la investigació de diversos sistemes desordenats per tal de resoldre una sèrie de qüestions obertes: l'origen de la transició líquid-líquid en el trans-1,2-dicloroetà (C2Cl2H2), l'extrema fragilitat del vidre orientacional del 1,1,2,2-tetracloro-1,2-difluoroetà (F-112, C2Cl4F2), la paradoxa de la densitat local en el tetraclorur de carboni (CCl4), i els rols de les interaccions estèrica i electrostàtica en l'ordre de curt abast de líquids de molècules quasitetraèdriques, en particular el triclorobromometà (CBrCl3) i el dibromodiclorometà (CBr2Cl2). Addicionalment, també s'hi inclou un breu repàs del marc teòric de la difracció de neutrons en sistemes desordenats, així com dels aspectes pràctics de l'equip experimental i del tractament de dades necessari, per tal que els investigadors interessats disposin d'una visió general completa sobre tema.

S'estudia la resposta de la capa de barreja oceànica al forçament atmosfèric considerant dades obtingudes durant 12 dies d'abril del 2001 a 42 estacions a través de l'Atlàntic nord seguint aproximadament la latitud de 53ºN. Aquestes dades inclouen, a més de variables atmosfèriques, mesures de CTD, velocitats amb ADCP i dades de microestructura obtingudes amb un perfilador de caiguda lliure. En aquest últim cas, s'han desenvolupat tècniques de processament de les dades que també es presenten aquí.El transsecte estudiat segueix la posició climatològica del rotacional mitjà anualdel vent igual a zero i travessa el corrent del Labrador i algunes branques i meandresdel Corrent Atlàntic Nord. El forçament atmosfèric es va caracteritzar per vents intensos i fluxos superficials de calor negatius, tot i que, tal com es dedueix de la comparació del gruix de la capa de barreja amb la longitud de Monin-Obukov, la barreja induïda pel vent va dominar sobre la convectiva durant tot el transsecte. / The response of the mixed layer depth (MLD) to short-term (synoptic) variations of atmospheric forcing in the North Atlantic Ocean was analysed using CTD data, microstructure profiling, ADCP velocities and atmospheric measurements takenduring the last 12 days of April 2001 at 42 stations located close to 53ºN. The transect followed the climatological position of zero annually-averaged wind stress curl (WSC), crossing the Labrador Current and several branches and meanders of the North Atlantic Current. Atmospheric forcing was characterized by relatively high wind speeds and negative surface heat balance. It is described the variability of the mixed layer and some parameterizations on different lengthscales are proposed. The vertical structure of TKEDR is analyzed and two closures schemes (Munk-Anderson type) are proposed. Finally it is explored the momentum rate of transference from wind to the ocean interior.

En aquesta tesi s'aborda l'estudi de la turbulència convectiva, a partir d'un treball experimental realitzat a l'estany de Banyoles. Més concretament, els objectius s'emmarquen en dues categories diferents. En la primera, es pretén sistematitzar el marc teòric-conceptual de la turbulència i més concretament de la turbulència convectiva, el qual es troba molt dispers a la bibliografia i sovint enfocat des de perspectives prou diverses. Dins aquest primer objectiu també es pretén sistematitzar tot un conjunt d'eines experimentals de tractament de dades que ens permetran obtenir els valors de les velocitats de dissipació de l'energia cinètica turbulenta i de la variància de temperatura de forma automàtica y obtenir els fluxos turbulents. També volem abordar la caracterització del les escales turbulentes, pel que treballarem amb l'escala de Thorpe i utilitzarem l'anàlisi d'ondetes del senyal de microstructura tèrmica. Dins la segona categoria d'objectius, aquests aplicats directament a l'estany de Banyoles, es pretén aplicar els conceptes desenvolupats al primer objectiu en dos sistemes convectius, un de tipus plomall i l'altre del tipus multidifusiu. Dins aquest context, en els dos primers capítols es presenta teòricament com s'obtenen els fluxos turbulents i s'introdueixen els fenòmens convectius, i en el tercer i quart capítols es descriuen tot un conjunt d'eines d'anàlisi experimental que ens serviran per a l'estudi del cas concret de la convecció al fons de l'estany de Banyoles.

Aquí hem aplicat el Princeton Ocean Model als embassaments de Sau i Boadella, situats a Catalunya, Espanya. Les simulacions s'han realitzat a l'estació d'estiu, quan la columna d'aigua està estratificada de forma contínua, i sota un règim de brisa amb velocitats de fins a 4 m/s. Basant-nos en aquestes simulacions hem analitzat el camp d'ones internes i comparat els resultats numèrics amb dades experimentals disponibles. El model reprodueix adequadament tots els modes observats en l'espectre de la velocitat i temperatura mesurades i ajuda a identificar els diferents modes. Les simulacions mostren la importància dels modes rotacionals en el camp d'ones internes dels embassaments estratificats. En el període estudiat, el radi de Rossby per l'embassament de Sau és de l'ordre de 100 m, que és varies vegades més petit que la amplitud de l'àrea lacustre de l'embassament, i el número de Rossby és de l'ordre de 0.1, corroborant la importancia de l'efecte de Coriolis. / We applied the Princeton Ocean Model to the Sau and Boadella reservoirs, located in Catalonia, Spain. Simulations were done for the summer season, when the water column is continuously stratified, and under a breeze regime with velocities of up to 4 m/s. Based on these simulations we analyzed the internal wave field and compared the numerical results with available field data. The model adequately reproduces all significant modes observed on the spectra of measured velocity and temperature and helps to identify the different modes. The simulations show the importance of rotational modes for the internal wave field of the stratified reservoirs. Under the studied wind regime, the Rossby radius for the Sau Reservoir is of the order of 100 m, that is, several times smaller than the amplitude of the lacustrine zone of the reservoir, and the Rossby number is of order of 0.1, which corroborates the importance of the Coriolis effect.