Кіріспе

Физикалық құбылыс. Физикада беттік толқын – ерекше орталардың шекарасы бойымен тарайтын механикалық толқын. Көне мысалы – сұйықтардың бетіндегі гравитациялық толқындар, мысалы, мұхит толқындары. Гравитациялық толқындар сұйықтардың ішінде де, әртүрлі тығыздыққа ие екі сұйықтықтың арасындағы шекарада да пайда болуы мүмкін. Эластикалық беттік толқындар қатты денелердің бетімен, мысалы, Рейли немесе Лав толқындары бойымен жүре алады. Электромагниттік толқындар да "беттік толқындар" ретінде тарай алады, себебі олар сыну көрсеткішінің градиентімен немесе әртүрлі диэлектрлік тұрақтылары бар екі ортаның арасындағы шекара бойымен бағытталуы мүмкін. Радио байланысында жер толқыны – Жер бетіне жақын тарайтын бағытталған толқын.

Механикалық толқындар

Сейсмологияда жер бетіндегі толқындардың бірнеше түрі кездеседі. Жер бетіндегі толқындар, механикалық мағынада, әдетте Лав толқындары (L толқындары) немесе Рэйли толқындары деп аталады. Сейсмикалық толқын – жер сілкінісі немесе жарылыстың салдарынан Жерде таралатын толқын. Лав толқындары көлденең қозғалысқа (қозғалыс бағытына перпендикуляр, жарық толқындары сияқты), ал Рэйли толқындары бойлық (қозғалыс бағытына параллель, дыбыс толқындары сияқты) және көлденең қозғалысқа ие. Сейсмологтар сейсмикалық толқындарды зерттейді және оларды сейсмограф немесе сейсмометр арқылы өлшейді. Жер бетіндегі толқындар кең жиілік диапазонында таралады, ең зиянды толқындардың периоды әдетте 10 секунд немесе одан ұзақ болады. Жер бетіндегі толқындар ең ірі жер сілкінісінен кейін Жер шарының айналасын бірнеше рет айналып өте алады. Жер бетіндегі толқындар P және S толқындары жер бетіне жеткенде пайда болады. Мысалға, су және ауа бетіндегі толқындарды (океан бетіндегі толқындар) келтіруге болады. Тағы бір мысал – ішкі толқындар, олар әртүрлі тығыздыққа ие екі су массасының шекарасы бойынша таралуы мүмкін. Есту физиологиясы теориясында фон Бекезидің таралатын толқыны (TW) базилярлық мембрананың кохлеарлық өзекшеге акустикалық беттік толқынынан туындады. Оның теориясы осы пассивті механикалық құбылыстарға байланысты есту сезімінің барлық ерекшеліктерін түсіндіруге тырысты. Жозеф Звислоцки, кейін Дэвид Кемп, бұл шындыққа сай емес екенін және кері байланыс қажет екенін көрсетті.

Электромагниттік толқындар

Жер толқындары – Жердің қисығын ұстанған, Жер бетіне параллель және оған жақын таралатын радио толқындар. Бұл сәулеленуші жер толқыны Нортонның беттік толқыны немесе дәлірек айтқанда Нортонның жер толқыны деп аталады, себебі радио таралудағы жер толқындары жер бетімен шектелмейді. Жер бетіндегі толқынның тағы бір түрі – сәулеленбейтін, байланысты режимдегі Зеннек жер бетіндегі толқыны немесе Зеннек-Соммерфельд жер бетіндегі толқыны. Жердің бір сындыру көрсеткіші бар, ал атмосферада басқасы бар, осылайша бағытталған Зеннек толқынының таралуын қолдайтын интерфейс құрайды. Жер бетіндегі толқынның басқа түрлері – тұтқынға түскен жер бетіндегі толқын, сырғанап өтетін толқын және әртүрлі симметриялы мөлдір материалдардың интерфейсінде таралатын Дьяконовтың жер бетіндегі толқындары (DSW). Бұлардан басқа, оптикалық толқын ұзындықтары үшін әртүрлі беттік толқындар зерттелген.

Жер бетіндегі плазмондар поляртоны

Жер бетіндегі плазмондық поляритон (SPP) – екі ортаның шекарасымен, әртүрлі диэлектрлік тұрақтылары бар орталармен қатар жүре алатын электромагниттік беттік толқын. Ол материалдардың біреуінің диэлектрлік өтімділігі болған жағдайда ғана пайда болады.

Сомерфельд-Зеннек жер бетіндегі толқыны

Сомерфельд-Зеннек толқыны немесе Зеннек толқыны – екі біртекті ортаның арасындағы, әртүрлі диэлектрлік тұрақтылары бар, жазық немесе сфералық интерфейспен қолдау көрсетілетін сәулеленбейтін басқарылатын электромагниттік толқын. Бұл беттік толқын интерфейске параллель таралады және оған перпендикуляр бағытта экспоненциалды түрде әлсірейді, бұл құбылыс «эванесценция» деп аталады. Оның пайда болуы үшін интерфейсті құрайтын материалдардың бірінің өтімділігі теріс, ал екіншісінің оң болуы қажет, мысалы, ауа мен жоғалтулы өткізгіш орта (жер үстілік тарату желісі сияқты) арасындағы интерфейс, плазма жиілігінен төмен. Толқынның электр өрісінің күші, интерфейс бойымен таралу бағытындағы екі өлшемді геометриялық өріс таралуының (1/√d) және жиілікке тәуелді экспоненциалдық әлсіреудің (α) нәтижесінде e^(αd/√d) жылдамдығымен төмендейді, мұнда α ортаның өткізгіштігіне байланысты және жер үстілік тарату желісіндегі энергияның таралуын сипаттайды. Арнольд Сомерфельд пен Джонатан Зеннектің жоғалтулы жер бетіндегі толқын таралуының алғашқы талдауынан туындаған бұл толқын, Максвелл теңдеулерінің нақты шешімі болып табылады. Сәулеленбейтін басқарылатын толқын режиміне жататын Зеннек беттік толқынын, радиалды жер тогының Хэнкель түрлендірілуін қолдану арқылы, нақты жер бетіндегі Зеннек беттік толқын көзімен байланыстырып алуға болады. Сомерфельд-Зеннек беттік толқындары энергияның R⁻¹ пропорционалдығымен әлсірейтінін болжайды, себебі энергия шеңбердің периметрі бойынша, сфераның беті бойынша емес, таралады. Бірақ радио толқындары кеңістігінде таралуда, Сомерфельд-Зеннек беттік толқындары таралу режимі емес, себебі жоғалту коэффициенті әдетте 20 дБ/декада мен 40 дБ/декада аралығында болады.