Overfladebølger — definition, mekaniske & elektromagnetiske (inkl. jordbølger)

Lær om overfladebølger: definition, mekaniske og elektromagnetiske principper, samt jordbølger og deres udbredelse langs grænseflader og jordoverfladen.

I fysik kan en overfladebølge referere til en mekanisk bølge, der udbreder sig langs grænsefladen mellem forskellige medier, normalt to væsker med forskellig densitet. En overfladebølge kan også være en elektromagnetisk bølge, der ledes af en gradient i brydningsindekset. For radiobølger er en jordbølge en overfladebølge, der udbreder sig tæt på jordens overflade.

Hvad er en overfladebølge?

En overfladebølge er en bølgeform, hvor størstedelen af energien er koncentreret tæt på en grænseflade mellem to forskellige medier. Den udbreder sig langs selve overfladen eller grænsefladen, mens dens amplitude normalt aftager eksponentielt i retning væk fra grænsefladen. Overfladebølger optræder både som mechaniske bølger (fx på vand eller jordoverfladen) og som elektromagnetiske bølger (fx bølger bundet til en grænseflade mellem materialer).

Mekaniske overfladebølger

Mekaniske overfladebølger kræver et materiale til at transportere bevægelse og energi. Almindelige typer og egenskaber:

• Vandoverfladebølger: Omfatter både kapillærbølger (små bølger, hvor overfladespænding dominerer) og tyngdebølger (større bølger, hvor tyngdekraften er hovedkraften). For bølger på vand kan frekvensen og bølgets hastighed beskrives med dispersionsrelationer: for dybt vand gælder typisk ω² = gk (tyngdebølger), mens kapillærbølger har en anden k-afhængighed, hvor overfladespændingen indgår.
• Seismiske overfladebølger: I jordskælvskontekst er Rayleigh-bølger og Love-bølger vigtige. Rayleigh-bølger involverer elliptisk partikelbevægelse nær overfladen og aftager med dybden, mens Love-bølger er transverselle bølger begrænset til en overfladelag med passende hastighedsprofil. Overfladebølger i seismik forårsager ofte størstedelen af de skader, et jordskælv giver, fordi de har stor amplitude og langsom attenuation langs overfladen.
• Egenskaber: Mekaniske overfladebølger er ofte dispersive — forskellige frekvenser udbreder sig med forskellige hastigheder — hvilket får en bølgepakke til at brede sig ud. Amplituden aftager typisk eksponentielt med afstanden fra grænsefladen (f.eks. i vand: ∼ e^{-kz}).

Elektromagnetiske overfladebølger

Elektromagnetiske overfladebølger er bundet til en grænseflade mellem materialer med forskellige elektromagnetiske egenskaber (permittivitet eller brydningsindeks). Eksempler og karakteristika:

• Surface plasmon polaritons (SPP): Bølger bundet til metal-dielektrikum-grænseflader, hvor elektroner i metallet og det elektromagnetiske felt er koblet. SPP'er har korte udbredelseslængder og stærke feltkoncentrationer nær overfladen, hvilket udnyttes i sensorik og nanofotonik.
• Zenneck- og Norton-bølger: Historisk betegnelser for elektromagnetiske bølger, der kan følge jordens overflade; der er detaljeret teori bag, og i praksis behandles ofte de relevante feltløsninger som Norton-surface-waves i forbindelse med antenneudbredelse nær jorden.
• Guidede overfladeformer: Mange waveguides, fiber- og plasmoniske strukturer understøtter overflademoduser, hvor energien er koncentreret ved grænsefladen på grund af en gradient i brydningsindekset eller materialets dielektriske egenskaber.

Jordbølger — radiobølger og seismik

Begrebet jordbølge kan dække flere fænomener afhængigt af kontekst:

• Radioudbredelse langs jordens overflade: For radiobølger er jordbølger dem, der udbreder sig tæt ved jordens overflade og påvirkes af jordens ledningsevne, permittivitet og terræn. Lavfrekvente signaler (LF, VLF) følger jordoverfladen mest effektivt og bruges til langtidskommunikation og navigationssystemer. Attenuationen med afstand og frekvens afhænger af jordens elektriske egenskaber og laves ved højere frekvenser.
• Seismiske jordoverfladebølger: I geofysik kaldes de ofte simpelthen overfladebølger og omfatter Rayleigh- og Love-bølger, som er særligt vigtige ved vurdering af jordrystelser og bygningspåvirkning.

Egenskaber og simpel matematik

Nogle generelle træk ved overfladebølger:

• Energiekoncentration: Energien er lokaliseret tæt ved interface; amplitude aftager ofte eksponentielt med afstand fra overfladen.
• Polarisation: Mekaniske overfladebølger kan have kombinationer af longitudinel og transversel bevægelse (fx elliptisk for Rayleigh), mens elektromagnetiske overfladebølger kan være TM- eller TE-lignende afhængigt af grænsefladen.
• Dispersivitet: Mange overfladebølger er dispersive — bølgepakker ændrer form over tid, fordi fase- og gruppehastighed afhænger af frekvens.
• Dispersionseksempler: For tyngdebølger på vand i fuld dybde gælder dispersionsrelationen ω² = gk, mens for fin dybde kommer tanh(kh) ind, og for kapillærbølger indgår overfladespændingen i et k³-led.

Anvendelser og eksempler

• Forståelse af kystdynamik og skibsdesign (vandoverfladebølger).
• Seismisk risikovurdering og konstruktion (Rayleigh- og Love-bølger).
• Trådløs kommunikation og antenneplanlægning (jordbølger/ground wave propagation for radiobølger).
• Sensorer, plamsoniske enheder og nanofotonik (elektromagnetiske overfladebølger som SPP).

Samlet set dækker betegnelsen overfladebølge en række fysisk forskellige fænomener, men fælles for dem er, at de er bundet til en grænseflade og har felter eller bevægelser, der hurtigt aftager væk fra denne grænseflade. For dybere teknisk analyse indgår grænsebetingelser, materialeparametre (densitet, elasticitetskonstanter, permittivitet) og dispersion i beregninger af hastigheder, dæmpning og energitransport.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er en overfladebølge?

Sp: Hvilken type bølger er jordbølger?

Spørgsmål: Hvordan bevæger overfladebølger sig?

Spørgsmål: Er der særlige typer af overfladebølger?

Spørgsmål: Hvilken slags medier bevæger overfladebølger sig typisk gennem?

Spørgsmål: Er det muligt, at én type medie kan anvendes til både væske- og elektromagnetisk udbredelse?

Søg efter bogstav