Във физиката повърхностната вълна обичайно се определя като вълна, която се разпространява по или близо до границата между две различни среди. Това може да бъде механична вълна — например на границата между вода и въздух или между две течности с различна плътност, или електромагнитна вълна, която е локализирана и направлявана от структурата на средата (например чрез градиент на показателя на пречупване). При радиовълните земната вълна е тип повърхностна вълна, която се разпространява близо до повърхността на Земята и позволява покритие зад хоризонта.
Механични повърхностни вълни
Механичните повърхностни вълни възникват, когато възстановяващите сили (най-често гравитация или повърхностно напрежение) действат на смущение, локализирано към интерфейса между две среди. Основни примери и подвидове:
- Вълни по повърхността на водата — включително гравитационни вълни (по-големи вълни като вълни в морето и цунами) и капилярни вълни (малки вълнички, доминирани от повърхностното напрежение).
- Вътрешни (интерфейсни) вълни — вълни, които се разпространяват по границата между два слоя течност с различна плътност (напр. термоклин в океана) и могат да пренесат енергия и маса на големи разстояния.
- Сеизмични повърхностни вълни — като Релееви (Rayleigh) и Лъвови (Love) вълни, които се разпространяват по повърхността на твърди тела като земната кора и често причиняват най-големи разрушения при земетресения.
Характерни свойства: амплитудата на повърхностните вълни обикновено спада експоненциално с разстоянието от интерфейса; те могат да бъдат дисперсионни (скоростта зависи от честотата), което е особено важно за водните вълни, и имат различни фазови и групови скорости.
Електромагнитни повърхностни вълни
Електромагнитните повърхностни вълни са решения на уравненията на Максуел, които са локализирани по границата между две среди или се поддържат от пространствено вариращи свойства на средата. Примери:
- Повърхностни плазмон-поляритони — вълни, възникващи на метал–диелектрик интерфейс, при които електромагнитното поле е силно локализирано и намалява бързо в двете среди; широко използвани в нанофотониката и сензориката.
- Еванесцентни вълни в оптични водачи — при които светлината е ограничена от разлика или градиент на показателя на пречупване (оптични влакна, планарни вълноводи), като полето извън проводящия път експоненциално изчезва.
- Земни (навигационни) радиовълни — повърхностни режими на разпространение при радиовълни, които следват кривината на земната повърхност и се влияят от проводимостта и диелектричните свойства на терена.
Основни характеристики и приложен смисъл
- Локализация: повърхностните вълни са силно локализирани около интерфейса — амплитудата намалява с растящото разстояние от границата.
- Дисперсия: много повърхностни вълни са дисперсионни; това определя как се променя формата на пакета вълни с времето.
- Пренос на енергия: могат да пренасят енергия по интерфейси далеч от източника (напр. енергия от вълни при брегова линия, сеизмична енергия по повърхността на корпуса).
- Приложения: прибрежно инженерство и прогнози за вълни и цунами, сеизмично строителство и проучване, безжична комуникация (земни вълни), оптика и нанотехнологии (плазмонни сензори, оптични вълноводи), електронни устройства (SAW филтри).
Разбирането на повърхностните вълни изисква анализ на граничните условия, физичните сили, които действат на интерфейса, и на дисперсионните свойства на средите. В практиката различните видове повърхностни вълни се използват целево в наука и техника, а техният контрол и моделиране остават активни изследователски области.
