Ekspert wyjaśnia: Dlaczego połączenie internetowe staje się zawodne podczas deszczu?

Dlaczego Twoje połączenie internetowe staje się zawodne, a Twój telefon komórkowy zaczyna sprawiać problemy, gdy pada deszcz? Przyczyna leży w naturze siły elektrycznej — oraz w sposobach, w jakie zła pogoda zakłóca jej działanie.

Na drodze w New Delhi 28 sierpnia 2020 r. (Zdjęcie ekspresowe: Amit Mehra)

Gdy monsun zacznie się oficjalnie wycofywać, wiele osób w Indiach będzie oczekiwać ulgi w zjawisku, którego można się spodziewać, gdy pada deszcz: połączenia internetowe stają się niestabilne, a sieci komórkowe pogarszają się. Dlaczego to się zdarza?

W latach 60. XIX wieku szkocki fizyk James Maxwell przewidział istnienie nowego rodzaju fal „elektromagnetycznych”, które poruszają się z prędkością ~300 milionów metrów na sekundę. Kilkadziesiąt lat później Heinrich Hertz eksperymentalnie zweryfikował teorię Maxwella, a w 1895 r. Sir Jagadish Chandra Bose po raz pierwszy zademonstrował bezprzewodową komunikację za pomocą fal elektromagnetycznych na odległość 23 metrów w Kalkucie, ustanawiając podwaliny nowoczesnego systemu komunikacji.

Aby zrozumieć, w jaki sposób dzisiaj komunikujemy się lub wysyłamy wiadomości przez Internet na kontynentach – a następnie w jaki sposób ta komunikacja jest zakłócana – najpierw musimy zrozumieć fundamentalną naturę siły elektrycznej.

Varun Makhija jest adiunktem fizyki na Uniwersytecie Mary Washington.

Elektrony w komunikacji

Istnieją trzy podstawowe elementy budulcowe, czyli „klocki Lego”, których natura używa do tworzenia całej materii – dwa rodzaje kwarków i elektron. Dla naszych celów musimy omówić tylko elektron.

Cała materia składa się z wielu, wielu elektronów. Podobnie jak inne klocki Lego, elektrony mają właściwość zwaną masą, która wskazuje, jak silnie działa na nie siła grawitacji, a zatem jest bezpośrednio związana z ich wagą.

Inna właściwość elektronów, zwana ładunkiem elektrycznym, wskazuje, jak silnie działa na nie siła elektryczna. Ładunek elektronu decyduje również o sile siły elektrycznej, jaką wywierają na inne obiekty, które również mają ładunek (jak na przykład dwie inne klocki Lego). Siła ta, podobnie jak siła grawitacji, działa na odległość. Tak więc dwa elektrony oddzielone dużą odległością przykładają siły elektryczne bez kontaktu. Ponieważ elektron jest naładowany, przestrzeń wokół niego jest wypełniona polem elektrycznym.

Jeśli wyobrazisz sobie, że elektron żyje w oceanie, który tworzy, możesz, poruszając elektronem, zainicjować falę w tym oceanie. Jest to podobne do rzucania kamieniem do nieruchomego stawu, który tworzy fale, które oddalają się od niego. Kiedy ta fala przechodzi przez inny elektron, który akurat znajduje się w oceanie naszego elektronu, ten drugi elektron będzie odbijał się w górę iw dół – tak jak w przypadku, gdy fala oceanu obmywa cię.

Tak się komunikujemy. Fala elektromagnetyczna jest inicjowana w pewnym miejscu przez poruszające się elektrony, które następnie zmywają elektrony w odległym miejscu. Słowo „sygnał” w szczególności oznacza fale elektromagnetyczne. Elektrony w twoich oczach mogą również reagować na te fale, pod warunkiem, że długość fali – odległość między szczytami fali – mieści się w określonym zakresie. W tym konkretnym zakresie długości fal fale elektromagnetyczne są dla nas widoczne; są lekkie! Najbardziej podstawowa forma komunikacji na duże odległości – błyskanie jasnym światłem i używanie alfabetu Morse'a – wykorzystuje przenoszenie fal elektromagnetycznych z jednego miejsca do drugiego.

Ekspresowe wyjaśnieniejest teraz włączonyTelegram. Kliknij tutaj, aby dołączyć do naszego kanału (@ieexplained) i bądź na bieżąco z najnowszymi

Światłowody i deszcz

Te koncepcje pozwalają nam zrozumieć jedyny sposób komunikacji, który ma znaczenie, Internet. Jest to zasadniczo rozległa sieć komputerów na całym świecie, które mogą przekazywać sobie nawzajem fale elektromagnetyczne, a zatem komunikować się.

Istnieją dwa podstawowe sposoby transportu fal — światłowody i wieże komórkowe (poprzez łącze satelitarne). Włókna optyczne to długie, cienkie szklane pręciki o grubości mniejszej niż ludzki włos. Światło jest ograniczone w pręcie ze względu na zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Kiedy światło przemieszczające się z gęstszego ośrodka do mniej gęstego (na przykład od szkła do powietrza) uderza w powierzchnię pomiędzy dwoma przezroczystymi ośrodkami pod krytycznym kątem, jest całkowicie odbijane z powrotem do gęstszego ośrodka. W ten sposób fale elektromagnetyczne są uwięzione wewnątrz światłowodu i przemieszczają się wzdłuż jego długości. Splatanie lub łączenie setek tysięcy kilometrów włókien i zakopywanie ich pod ziemią lub pod wodą umożliwia komunikację na całym świecie. Fale elektromagnetyczne wykorzystywane do komunikacji (fale podczerwone) są generowane przez lasery i mają nieco dłuższą długość fali niż światło widzialne, dzięki czemu są dla nas niewidoczne.

Sieć światłowodowa w Indiach została zainicjowana przez VSNL i obecnie jest własnością i jest rozwijana przez Tata Communications. Wszyscy dostawcy usług internetowych łączą się w jakiś sposób z tą siecią „Tier 1”, a ostatecznie z Twoim domem. Te wtórne połączenia niekoniecznie są optyczne i obejmują kilka elementów elektrycznych. (Uwaga: kable elektryczne przenoszą elektrony, a nie fale elektromagnetyczne, ale to temat na inny dzień!) Elementy elektryczne są również wymagane w całej sieci światłowodowej do wzmacniania i włączania i wyłączania światła w komunikacji cyfrowej.

Deszcz monsunowy może na wiele sposobów przerwać tę podziemną sieć. Połączenie wody przesączającej się do gruntu i osuwisk może uszkodzić różne elementy elektryczne w sieci lub spowodować fizyczne uszkodzenia w miejscach, w których włókna są ze sobą splecione.

Mogą również wystąpić podobne uszkodzenia lub przerwy w dostawie prądu w lokalizacjach pośrednich, gdzie lokalny dostawca usług łączy się z siecią optyczną Tier 1, a następnie z Twoim domem. Włókno ma rdzeń, płaszcz i plastikową powłokę ochronną i jest utrzymywane w wodoszczelnej obudowie ochronnej, dzięki czemu deszcz ma najmniejszy wpływ na transmisję sygnału. Powłoka jest usuwana podczas łączenia dwóch włókien. W miejscach, w których włókna zaczynają się lub kończą (tzw. „skrzynki spawów”) istnieje możliwość narażenia włókien na działanie wody deszczowej, co powoduje zmniejszenie siły sygnału . Dodatkowo cząsteczki wody mogą znaleźć sposób poprzez mikropęknięcia we włóknach, ostatecznie wpływając na żywotność włókna.

Nie przegap Objaśnionego | 13 bąbelków powietrza w Indiach i kto może podróżować do tych krajów?

Telefony komórkowe w deszczu

Gdy telefon komórkowy jest podłączony do Internetu, fale elektromagnetyczne przemieszczają się z urządzenia w powietrzu do wieży komórkowej. Można o tym pomyśleć jako o gigantycznej antenie. Elektrony w tej antenie odbijają się w górę iw dół. Kiedy to robią, wytwarzają własne fale elektromagnetyczne, które przemieszczają się do centralnej lokalizacji zarządzanej przez dostawcę usług. W tym miejscu fale są w jakiś sposób „przetwarzane” i przesyłane albo do sieci światłowodowej (Internet) albo na inny telefon (rozmowa telefoniczna, sms itp.).

Mogą wystąpić różne rodzaje przetwarzania. Na przykład jedną ważną różnicą między falami elektromagnetycznymi emitowanymi z telefonu a tymi z lasera, który przemieszcza się w światłowodzie, jest długość fali. Fale radiowe emitowane przez telefon i odbierane przez telefon mają około metra długości. Natomiast fale podczerwone, które przechodzą przez sieć światłowodową, mają długość około jednej milionowej metra. Zauważ, że żadna z tych długości fali nie wpływa na elektrony w twoim oku, ponieważ nie są to widoczne długości fal (około 500 miliardowych części metra).

W jakiś sposób wiadomość z telefonu musi zostać „przetłumaczona” z radia na fale podczerwone. Jeśli używałeś alfabetu Morse'a, możesz sobie wyobrazić, że fale radiowe wykryte przez twojego dostawcę migają i gasną, zawierając twoją wiadomość. Laser zarządzany przez dostawcę musi być wykonany tak, aby wytwarzał tę samą sekwencję błysków, która przechodzi przez sieć światłowodową.

Przyczyny przerw w tym łańcuchu komunikacyjnym podczas monsunu są inne niż w sieci światłowodowej.

Fale radiowe przemieszczające się między telefonem a wieżą komórkową mogą wprawiać w ruch elektrony w kroplach wody, przerywając komunikację. Wielkość i liczba kropli deszczu zmniejszają siłę sygnału ze względu na rozpraszanie fal radiowych, podczas gdy para wodna w atmosferze pochłania fale radiowe, zamieniając je w ciepło (jak w kuchence mikrofalowej).

Ponadto ulewny deszcz monsunowy, wiatr i błyskawice mogą powodować uszkodzenia wież komórkowych, powodując zakłócenia w obszarze, który obejmują. Pamiętaj, że z tego powodu w niektórych obszarach nie masz żadnego sygnału – w pobliżu nie ma żadnej wieży komórkowej. Ale być może najczęstszą przyczyną przerw jest „zagłuszanie”. Gdy zbyt wiele osób próbuje jednocześnie komunikować się za pośrednictwem lokalizacji przetwarzania sygnału, niektóre wiadomości giną.

Przeniesienie tego ulubionego mema z komputera jego autora na twój jest zatem wysiłkiem, w którym fale elektromagnetyczne przemieszczają się przez wiele tysięcy kilometrów. To niezwykłe osiągnięcie współczesnej nauki i wydawałoby się niesamowite, że w ogóle działa! Być może może to nieco złagodzić Twoją frustrację, gdy następnym razem Twój Internet zostanie wyłączony podczas burzy!

Podziel Się Z Przyjaciółmi: