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표면파

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목차

1. 개요

표면파는 지표면이나 서로 다른 매질의 경계를 따라 전파되는 파동을 의미한다. 지진학에서는 지표면을 따라 이동하는 지진파를 지칭하며, 러브파와 레일리파가 대표적이다. 전자기학에서는 유전체와 도체의 경계면을 따라 전파되는 전자기파를 의미하며, 무선 통신, 레이더 등 다양한 분야에서 활용된다.

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표면파
개요
종류지진파의 한 종류
발생 위치지표면 또는 계면
특성진폭이 거리에 따라 감소, 분산과 감쇠 발생
유형
레일리파수직 및 수평 운동 조합, 고체 표면 따라 전파
러브파수평 방향으로만 진동, 표면에 평행하게 전파
스톤리파두 매질 사이의 계면 따라 전파
램파고체판에서 발생하는 탄성파
지진학적 응용
정보지각 구조 연구, 지진 발생 메커니즘 분석
활용근표면탐사, 비파괴 검사, 구조물 건전성 모니터링
기타
영어 명칭Surface wave
일본어 명칭表面波 (ひょうめんぱ, Hyōmen-pa)

2. 지진파

지진학에서 표면파는 지표면을 통해 이동하는 지진파의 일종이다. 지표면에서 멀어질수록 세기가 급격하게 감소하기 때문에 표면파라고 부른다. 표면파는 P파나 S파와 같은 실체파보다 훨씬 느리게 이동하며, 큰 규모의 지진에서는 진폭이 수 cm에 달하기도 한다.[21]

지진파는 지구 내부를 통과하는 파동으로, 지진이나 폭발의 결과로 발생한다. 지진학자들이 연구하며, 지진계로 측정한다. 표면파는 넓은 주파수 범위를 가지며, 가장 파괴적인 파동의 주기는 보통 10초 이상이다. 가장 큰 지진으로부터 지구를 여러 번 돌 수 있다. P파와 S파가 표면에 도달할 때 발생한다.

지진학에서는 러브파와 레일리파 등 여러 종류의 표면파가 관찰된다. 러브파는 횡파 운동(파동의 이동 방향에 수직으로 움직임)을 가지는 반면, 레일리파는 종파 운동(파동의 이동 방향과 평행하게 움직임)과 횡파 운동을 모두 갖는다.

2. 1. 러브파 (Love wave)

러브파는 수평 편광된 전단파(SH파)의 일종으로, 얇은 층이 겹쳐진 반무한 매질에서만 존재한다.[22] 1911년 자신의 수학적 모델을 제시한 영국의 수학자 어거스터스 에드워드 휴 러브의 이름을 따서 지어졌다.[23] 러브파는 보통 레일리파보다 약간 빠르며, S파의 약 90% 속도로 이동하고 진폭이 가장 크다. 러브파는 전파될 때 지면이 전파 방향에 직각으로, 오직 수평으로만 진동한다.

2. 2. 레일리파 (Rayleigh wave)

레일리파는 그라운드 롤(ground roll)이라고도 불리며, 수면 위의 파도와 비슷하게 지표면을 잔물결처럼 이동하는 파동이다. 1885년 영국의 물리학자인 제3대 레일리 남작 존 윌리엄 스트럿(레일리 경)이 레일리파의 존재를 처음으로 밝혀냈다.[24] 레일리파는 실체파보다 느리게 이동하며, 일반적인 균질한 탄성매질에서 실체파인 S파 속도의 약 90%로, 깊이 100 m 미만의 지표면에서는 대략 50–300 m/s의 속도로 이동한다. 지각과 상부 맨틀과 같이 층이 존재하는 매질에서의 레일리파 전파 속도는 그 주파수와 파장에 따라 달라진다. 램파도 참고할 수 있다. 레일리파는 전파될 때 지면이 수직으로 타원운동을 하며, 지면의 운동 방향은 전파 방향과 반대이다.

3. 역학적 파동 (Mechanical waves)

지진학에서 표면파는 지표면을 통해 이동하는 지진파를 말하며, 기계적 표면파의 일종이다. 표면파는 지표면에서 멀어질수록 그 세기가 급격하게 감소한다. 표면파는 P파나 S파와 같은 실체파보다 훨씬 느리게 이동하며, 큰 규모의 지진에서는 진폭이 수 cm에 달하기도 한다.[21]

지진학에서 표면파는 ''러브파''(L파) 또는 ''레일리파''로 알려져 있다. 지진파는 지구 내부를 통과하는 파동으로, 지진이나 폭발의 결과로 발생한다. 러브파는 횡파 운동(파동의 이동 방향에 수직으로 움직임, 빛의 파동과 유사)을 가지는 반면, 레일리파는 종파 운동(파동의 이동 방향과 평행하게 움직임, 소리의 파동과 유사)과 횡파 운동을 모두 갖는다. 지진파는 지진계로 측정된다. 표면파는 넓은 주파수 범위를 가지며, 가장 파괴적인 파동의 주기는 보통 10초 이상이다. 표면파는 가장 큰 지진으로부터 지구를 여러 번 돌 수 있다.

표면파는 P파와 S파가 표면에 도달할 때 발생한다.

청각 생리학 이론에서, 폰 베케시의 진행파(TW)는 달팽이관 내의 기저막의 음향 표면파에서 발생했다. 그의 이론은 이러한 수동적인 기계적 현상으로 인해 청각 감각의 모든 특징을 설명하려고 했다. 요제프 즈비스로키(Jozef Zwislocki)와 데이비드 켐프는 그것이 비현실적이며 능동적 피드백이 필요하다는 것을 보여주었다.

표면파는 에어리 함수로 근사될 때, 더 적절하게는 크리핑파라고 불리며, 해상의 파도를 설명할 수 있다.

3. 1. 해양 표면파

해양 표면파(Surface gravity wave영어)는 물과 공기의 경계면에서 발생하는 파동으로, 바람, 지진, 선박 등에 의해 발생한다. 풍랑(해면의 파도)이 대표적인 예시이며, 밀도가 다른 두 수괴의 경계를 따라 전달될 수 있는 내부파도 해양 표면파의 일종이다.

3. 2. 내부파

밀도가 다른 두 물 덩어리의 경계면을 따라 진행할 수 있는 내부파가 있다.

4. 전자기파 (Electromagnetic waves)

10μm의 자유 공간 파장에 해당하는 주파수에서 은-공기 계면의 E-field. 이 주파수에서 은은 대략적으로 완전 전기 전도체처럼 동작하며, SPP는 자유 공간 파장과 거의 같은 파장을 갖는 소머펠트-제넥파라고 불린다.


표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)은 서로 다른 유전율을 가진 두 매질 사이의 계면을 따라 이동하는 전자기 표면파이다. 이는 계면을 형성하는 물질 중 하나의 유전율[6]이 음수이고 다른 하나는 양수일 때 존재하며, 플라즈마 주파수 아래의 공기와 손실성 전도 매질 사이의 계면과 같다. 파동은 계면에 평행하게 전파되고 계면에 수직으로 지수적으로 감쇠하는데, 이러한 특성을 증발이라고 한다. 파동이 손실성 전도체와 두 번째 매질의 경계에 있기 때문에, 이러한 진동은 전도 표면에 분자의 흡착과 같은 경계의 변화에 민감할 수 있다.[16]

4. 1. 지표파 (Ground wave)

'''지표파'''는 전파가 전파될 때 지구 표면과 나란하고 인접하며 지구의 곡률을 따라 전파되는 파동을 말한다. 이러한 방사성 지표파는 '''노턴 표면파''' 또는 '''노턴 지표파'''라고도 하는데, 이는 전파에서 지표파가 표면에 국한되지 않기 때문이다.

중파의 낮은 주파수, 특히 AM 방송과 장파대역 (및 그보다 낮은 주파수의 기타 라디오파)는 지상파로 효과적으로 진행된다. 왜냐하면 낮은 주파수에서는 지구의 형상에 의해 보다 효과적으로 회절되기 때문이다. 전리층은 태양의 상태에 따라 변하는 특정 주파수 대역을 반사한다. 지구와 대기는 서로 다른 굴절률을 가지므로, 지상파 전파를 유지하는 계면을 구성한다.

표면의 전기 전도도는 지상파 전파에 영향을 미치는데, 물과 같이 전도도가 큰 표면에서 더 잘 전파된다[18]。표면 전도도가 커지면 산란이 작아진다[19]。굴절률은 공간과 시간에 따라 변한다. 지각은 완전한 도체가 아니므로, 지상파는 지구 표면을 따라가면서 약해진다.

대부분의 저주파 "장파" 라디오 장거리 통신 (30 kHz ~ 300 kHz 사이)은 지상파로 전파된다. 중파 전파 (300 kHz ~ 3000 kHz)는 주로 지구 곡률에 따라 진행하는 (지상파) 특징이 있다. 저주파에서는 지상 손실이 낮고, 주파수가 낮을수록 손실은 더 낮아진다. VLF 및 LF 주파수는 주로 군사 통신, 특히 선박과 잠수함에 사용된다.

표면파는 초지평선 레이더에 사용되었다. 라디오의 발명 초기에는 주로 표면파가 사용되었다. 초기의 상업 및 전문 라디오 서비스는 주로 저주파에서 지상을 전파하는 장파에 의존했다.

마이크로파장 이론에서, 여러 공동의 굴절률은 "표면파 전파"를 유지하는 계면을 구성한다. 표면파는 전송선의 일부로 연구되며, 일부는 단선 전송선으로 간주될 수 있다.

4. 1. 1. 젠넥파 (Zenneck wave)

지구와 대기는 서로 다른 굴절률을 가져, 젠넥파 전송을 지원하는 계면을 구성한다.[2][3][4][5][6] 아르놀트 조머펠트와 요나탄 제네크는 손실이 있는 지구를 통한 파동 전파 문제를 분석했으며, 이는 맥스웰 방정식의 정확한 해로 존재한다.[17] 젠넥파는 비방사성 유도파 모드로, 실제 지상 젠넥 표면파 소스와 관련된 방사형 접지 전류의 헹켈 변환을 사용하여 파생될 수 있다.[6]

Sommerfeld–Zenneck 파 또는 젠넥파는 서로 다른 유전율을 갖는 두 균질 매질 사이의 평면 또는 구형 경계면에서 지원되는 비방사성 유도 전자기파이다. 이 표면파는 경계면에 평행하게 전파되고 이에 수직으로 지수적으로 감쇠하며, 이는 소멸성으로 알려져 있다. 경계면을 형성하는 재료 중 하나의 유전율이 음수이고 다른 하나는 양수인 조건에서 존재하며, 예를 들어 플라즈마 주파수 미만의 지상 전송선과 같은 손실이 있는 전도성 매질과 공기 사이의 경계면이 이에 해당한다. 전기장의 세기는 경계면을 따라 전파 방향으로 e-αd/√d의 속도로 감소하는데, 이는 주파수에 의존하는 지수 감쇠(α)와 결합된 1/√d 속도의 2차원 기하학적 장 확산 때문이며, 여기서 α는 매질의 전도성에 따라 달라진다.

4. 1. 2. 좀머펠트파 (Sommerfeld wave)

젠넥 표면파 또는 젠넥-좀머펠트 표면파는 서로 다른 유전율을 갖는 두 개의 균질한 매질 사이의 평면 또는 구형 경계면에서 지원되는 비방사성 유도 전자기파이다.[17] 이 표면파는 경계면에 평행하게 전파되고 이에 수직으로 지수적으로 감쇠하며, 이는 소멸성으로 알려진 특성이다. 젠넥-좀머펠트 표면파는 경계면을 형성하는 재료 중 하나의 유전율이 음수이고 다른 하나는 양수인 조건에서 존재하는데, 예를 들어 플라즈마 주파수 미만의 지상 전송선과 같은 손실이 있는 전도성 매질과 공기 사이의 경계면이 이에 해당한다. 전기장의 세기는 경계면을 따라 전파 방향으로 e-αd/√d의 속도로 감소하는데, 이는 주파수에 의존하는 지수 감쇠(α)와 결합된 1/√d의 속도로의 2차원 기하학적 장 확산 때문이며, 여기서 α는 매질의 전도성에 따라 달라진다. 아르놀트 조머펠트와 요나탄 제네크가 손실이 있는 지구를 통한 파동 전파 문제를 원래 분석한 결과, 맥스웰 방정식의 정확한 해로 존재한다.[17] 젠넥 표면파는 비방사성 유도파 모드로, 실제 지상 젠넥 표면파 소스와 관련된 방사형 접지 전류의 헹켈 변환을 사용하여 파생될 수 있다.[6] 좀머펠트-젠넥 표면파는 에너지가 R−1으로 감소한다고 예측하는데, 그 이유는 에너지가 구의 표면이 아닌 원의 원주를 따라 분산되기 때문이다. 전파 공간파 전파에서 좀머펠트-젠넥 표면파가 전파 모드라는 증거는 나타나지 않으며, 경로 손실 지수는 일반적으로 20 dB/dec와 40 dB/dec 사이이다.

4. 2. 표면 플라즈몬 폴라리톤 (Surface plasmon polariton)



표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)은 유전율이 서로 다른 두 매질 사이의 경계면을 따라 이동하는 전자기 표면파이다. SPP는 경계면을 이루는 물질 중 하나의 유전율[6]이 음수이고 다른 하나는 양수일 때 존재한다. 예를 들어 플라즈마 주파수 아래의 공기와 손실성 전도 매질 사이의 경계면에서 SPP가 발생한다. SPP는 경계면에 평행하게 전파되며, 경계면에 수직 방향으로는 지수적으로 감소하는 특성(증발)을 보인다. SPP는 손실성 전도체와 두 번째 매질의 경계에 존재하기 때문에, 전도 표면에 분자가 흡착되는 등 경계면의 변화에 민감하게 반응한다.[16]

5. 응용 분야

표면파는 통신 분야에서 다양하게 활용된다. 전자기파 표면파를 이용해 무선 통신, 레이더 등의 시스템을 개발한다.

중파의 낮은 주파수, 특히 AM 방송과 장파대역은 낮은 주파수에 따라 지구의 형상에 의해 효과적으로 회절되어 지상파로 잘 전달된다. 표면의 전기 전도도는 지상파 전파에 영향을 주는데[18], 물과 같이 전도도가 큰 표면에서는 산란이 적다[19]。 지각은 완전한 도체가 아니므로 지상파는 지구 표면을 따라가면서 약해진다.

대부분의 저주파 "장파" 라디오 장거리 통신 (30 kHz와 300 kHz 사이)은 지상파 전파를 이용한다. 중파 전파 (300 kHz ~ 3000 kHz)는 주로 지구 곡률을 따라 진행하는 (지상파) 특징을 보인다. 저주파에서는 지상 손실이 낮고, 주파수가 낮을수록 손실은 더 적다. VLF 및 LF 주파수는 주로 군사 통신, 특히 선박과 잠수함 통신에 쓰인다.

라디오의 발명 초기에는 표면파가 주로 사용되었다. 초기의 상업 및 전문 라디오 서비스는 주로 저주파에서 지상을 전파하는 장파에 의존했다. 표면파는 초지평선 레이더에도 사용되었다.

밤에는 중파와 단파가 전리층에서 반사되는 상공파 형태로 전달된다. 지상파는 전리층이나 대류권의 전자기파를 '''포함하지 않는다'''.

5. 1. 지진학

지진학에서는 여러 종류의 표면파가 관찰된다. 기계적인 의미에서 표면파는 일반적으로 러브파(L파) 또는 레일리파로 알려져 있다. 지진파는 지구 내부를 통과하는 파동으로, 지진이나 폭발의 결과로 발생한다. 러브파는 횡파 운동(파동의 이동 방향에 수직으로 움직임, 빛의 파동과 유사)을 가지는 반면, 레일리파는 종파 운동(파동의 이동 방향과 평행하게 움직임, 소리의 파동과 유사)과 횡파 운동을 모두 갖는다. 지진파는 지진학자들에 의해 연구되며, 지진계에 의해 측정된다. 표면파는 넓은 주파수 범위를 가지며, 가장 파괴적인 파동의 주기는 보통 10초 이상이다. 표면파는 가장 큰 지진으로부터 지구를 여러 번 돌 수 있다. 표면파는 P파와 S파가 표면에 도달할 때 발생한다.

5. 2. 통신

전자기파 표면파를 이용하여 무선 통신, 레이더 등 다양한 통신 시스템을 개발한다.

중파의 낮은 주파수, 특히 AM 방송과 장파대역 (및 그보다 낮은 주파수의 기타 라디오파)는 낮은 주파수에 따라 지구의 형상에 의해 보다 효과적으로 회절되기 때문에 지상파로 효과적으로 진행된다. 전리층은 태양의 상태에 따라 종종 변화하는 일정 밴드의 주파수를 반사한다.

표면의 전기 전도도는 물과 같이 전도도가 큰 표면과 함께 지상파의 전파에 영향을 미치며[18], 표면의 전도도가 커지면 산란이 작아진다[19]。 지각이 완전한 도체가 아니므로 지상파는 지구 표면을 따라가면 약해진다.

대부분의 저주파 "장파" 라디오 장거리 통신 (30 kHz와 300 kHz 사이)은 지상파 전파가 된다. 중파의 전파 (주파수는 300 kHz에서 3000 kHz)는 주로 지구의 곡률에 따라 진행하는 (지상파) 특징이 있다. 저주파에서는 지상에서의 손실이 낮고, 더 낮은 주파수에서는 더욱 낮아진다. VLF 및 LF 주파수는 주로 군사 통신, 특히 선박과 잠수함에 사용된다.

표면파는 초지평선 레이더에 사용되었다. 라디오의 발명에서 표면파가 주로 사용되었다. 초기의 상업적 및 전문적인 라디오 서비스는 주로 저주파에서 지상을 전파하는 장파에 의존했다.

밤에는 중파와 단파가 전리층에서 반사하는데, 이것은 상공파로 알려져 있다. 지상파는 전리층이나 대류권의 전자기파를 '''포함하지 않는다'''.

참조

[1] 간행물 https://www.its.bldr[...] 2022-01-22
[2] 문서 The Physical Reality of Zenneck's Surface Wave https://archive.org/[...]
[3] 논문 Excitation of the Zenneck surface wave by a vertical aperture 1978
[4] 논문 "Über die Zennecksche Bodenwelle," (On the Zenneck Surface Wave) http://www.nedyn.com[...] 1951
[5] 서적 Radio Surface Waves Oxford University Press 1962
[6] 간행물 Surface Waves and the Crucial Propagation Experiment http://rexresearch.c[...] IEEE, MTT-S 2016-03-31
[7] 간행물 "Excitation of Surface Waves on Conducting, Stratified, Dielectric-Clad, and Corrugated Surfaces" http://nvlpubs.nist.[...] 1957-12
[8] 저널 New type of electromagnetic wave propagating at an interface http://jetp.ac.ru/cg[...] 1988-04
[9] 저널 Dyakonov Surface Waves: A Review. 2008
[10] 저널 Observation of Dyakonov surface waves. 2009
[11] 저널 Lossless directional guiding of light in dielectric nanosheets using Dyakonov surface waves. 2014
[12] 저널 Photonic surface waves on metamaterial interfaces. 2017
[13] 저널 Leaky Surface Plasmon Polariton Modes at an Interface Between Metal and Uniaxially Anisotropic Materials. 2013
[14] 서적 Field Theory of Guided Waves Wiley-IEEE Press 1990
[15] 웹사이트 (TM) mode http://www.corridor.[...] 2018-04-04
[16] 저널 Nanomaterials enhanced surface plasmon resonance for biological and chemical sensing applications https://www.research[...] 2014
[17] 서적 Radio Surface Waves Oxford University Press 1962
[18] 간행물 Ground Waves http://www.tpub.com/[...] Integrated publishing
[19] 간행물 Antennas and Radio Propagation Dept. of the Army 1953-02
[20] 간행물 http://www.its.bldrd[...]
[21] 서적 Geophysics Field Measurements https://books.google[...] Academic Press 1987
[22] 서적 Exploration Seismology https://archive.org/[...] Cambridge University Press
[23] 서적 Some problems of geodynamics; … https://archive.org/[...] Cambridge University Press 1911
[24] 저널 On waves propagated along the plane surface of an elastic solid https://babel.hathit[...] 1885


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