Strokovnjak pojasnjuje: Zakaj internetna povezava v dežju postane nezanesljiva?

Zakaj vaša internetna povezava postane nezanesljiva in vaš mobilni telefon začne povzročati težave, ko dežuje? Razlog je v naravi električne sile - in načinih, na katere slabo vreme moti njeno delovanje.

Na cesti v New Delhiju 28. avgusta 2020. (Ekspresno foto: Amit Mehra)

Ko se monsun začne uradno umikati, se bodo mnogi v Indiji veselili olajšanja zaradi pojava, ki so ga pričakovali, ko dežuje: internetne povezave postanejo nestabilne, omrežja mobilnih telefonov pa propadajo. Zakaj se to zgodi?

V 1860-ih je škotski fizik James Maxwell napovedal obstoj nove vrste 'elektromagnetnih' valov, ki potujejo s hitrostjo ~300 milijonov metrov/sekundo. Nekaj ​​desetletij pozneje je Heinrich Hertz eksperimentalno preveril Maxwellovo teorijo in leta 1895 je sir Jagadish Chandra Bose v Kalkuti prvič pokazal brezžično komunikacijo z elektromagnetnimi valovi na razdalji 23 metrov, s čimer je postavil temelje sodobnega komunikacijskega sistema.

Da bi razumeli, kako danes komuniciramo ali pošiljamo sporočila prek interneta po celinah – in potem, kako je ta komunikacija motena – moramo najprej razumeti temeljno naravo električne sile.

Varun Makhija je docent za fiziko na Univerzi Mary Washington.

Elektroni v komunikaciji

Obstajajo trije temeljni gradniki ali 'lego kocke', ki jih narava uporablja za izdelavo vse snovi - dve vrsti kvarkov in elektron. Za naše namene moramo razpravljati samo o elektronu.

Vsa snov je sestavljena iz veliko, veliko elektronov. Tako kot druge kocke Lego imajo elektroni lastnost, imenovano masa, ki kaže, kako močno gravitacijska sila deluje nanje, in je zato neposredno povezana z njihovo težo.

Druga lastnost elektronov, imenovana električni naboj, kaže, kako močno nanje deluje električna sila. Naboj elektrona določa tudi moč električne sile, ki jo uporabljajo na druge predmete, ki imajo tudi naboj (kot na primer dve drugi kocki Lego). Ta sila, tako kot sila gravitacije, deluje na daljavo. Torej, dva elektrona, ločena z veliko razdaljo, uporabljata električne sile, ne da bi sploh vzpostavila stik. Ker je elektron nabit, je prostor okoli njega napolnjen z električnim poljem.

Če si predstavljate, da elektron živi v oceanu, ki ga ustvari, lahko, če premikate elektron, sprožite val v tem oceanu. To je podobno kot metanje kamna v mirni ribnik, ki ustvarja valovanje, ki potuje stran od njega. Ko ta val preide mimo drugega elektrona, ki je v oceanu našega elektrona, bo ta drugi elektron odskočil gor in dol – kot bi lahko, ko vas oceanski val zalije.

Tako komuniciramo. Elektromagnetno valovanje se na nekem mestu sproži z vrtečimi se elektroni, ki nato sperejo elektrone na neki oddaljeni lokaciji. Beseda 'signal' konkretno pomeni elektromagnetno valovanje. Na te valove se lahko odzovejo tudi elektroni v vaših očeh, če je valovna dolžina – razdalja med vrhovi v valu – znotraj določenega območja. V tem posebnem območju valovnih dolžin so nam vidni elektromagnetni valovi; so lahki! Najosnovnejša oblika komunikacije na dolge razdalje – utripanje svetle svetlobe in uporaba Morsejeve abecede – uporablja prenos elektromagnetnih valov z ene lokacije na drugo.

Ekspresno razloženoje zdaj vklopljenoTelegram. Kliknite tukaj, da se pridružiš našemu kanalu (@ieexplained) in bodite na tekočem z najnovejšimi

Optična vlakna in dež

Ti koncepti nas opremljajo, da razumemo edini način komunikacije, ki je več pomemben, internet. To je v bistvu obsežna mreža računalnikov po vsem svetu, ki lahko prenašajo elektromagnetne valove drug drugemu in tako komunicirajo.

Obstajata dva glavna načina za prenos valov - z optičnimi vlakni in celičnimi stolpi (prek satelitske povezave). Optična vlakna so dolge, tanke steklene palice, ki so manjše od človeških las. Svetloba je v palici omejena zaradi pojava popolnega notranjega odboja. Ko svetloba, ki potuje iz gostejšega medija v manj gostega (na primer iz stekla v zrak), zadene površino med dvema prosojnima medijema pod kritičnim kotom, se v celoti odbije nazaj v gostejši medij. Na ta način se elektromagnetni valovi ujamejo v vlakno in potujejo po dolžini. Spajanje ali spajanje na stotine tisoč kilometrov vlaken skupaj in njihovo zakopavanje pod zemljo ali pod morje omogoča komunikacijo po vsem svetu. Elektromagnetne valove, ki se uporabljajo za komunikacijo (infrardeče valove), generirajo laserji in imajo nekoliko daljšo valovno dolžino od vidne svetlobe, zato so za nas nevidni.

Omrežje z optičnimi vlakni v Indiji je začela VSNL, trenutno pa je v lasti in razvoju Tata Communications. Vsi ponudniki internetnih storitev se na nek način povežejo s tem omrežjem 'Tier 1' in sčasoma z vašim domom. Te sekundarne povezave niso nujno optične in vključujejo več električnih komponent. (Opomba: električni kabli prenašajo elektrone in ne elektromagnetne valove, vendar je to tema za drug dan!) Električne komponente so potrebne tudi vzdolž celotnega omrežja z optičnimi vlakni za ojačanje in vklop in izklop luči za digitalno komunikacijo.

Monsunski dež bi lahko na več načinov prekinil to podzemno omrežje. Kombinacija vode, ki pronica v tla, in zemeljskih plazov lahko poškoduje različne električne komponente v omrežju ali povzroči fizično škodo na mestih, kjer so vlakna spojena skupaj.

Podobne poškodbe ali izpadi električne energije lahko pride tudi na vmesnih lokacijah, kjer se vaš lokalni ponudnik storitev poveže z optičnim omrežjem Tier 1 in nato z vašim domom. Vlakno ima jedro, oblogo in plastično zaščitno prevleko ter je zaprto v vodotesno zaščitno ohišje, tako da je dež najmanj prizadet na prenos signala. Prevleka se odstrani med spajanjem dveh vlaken. Na mestih, kjer se vlakna začnejo ali končajo (znane kot 'splice boxes'), obstaja možnost, da so vlakna izpostavljena deževnici, kar povzroči zmanjšanje moči signala. Poleg tega lahko molekule vode najdejo pot skozi mikro razpoke v vlaknih, kar sčasoma vpliva na življenjsko dobo vlaken.

Ne zamudite razloženega | 13 indijskih zračnih mehurčkov in komu je dovoljeno potovati v te države

Mobilni telefoni v dežju

Ko je vaš mobilni telefon povezan z internetom, elektromagnetni valovi potujejo iz vaše naprave po zraku do mobilnega stolpa. To si lahko predstavljate kot velikansko anteno. Elektroni v tej anteni se odbijajo gor in dol. Ko to storijo, proizvajajo lastne elektromagnetne valove, ki potujejo na osrednjo lokacijo, ki jo upravlja vaš ponudnik storitev. Na tej lokaciji se valovi na nek način 'obdelajo' in se pošljejo bodisi v omrežje z optičnimi vlakni (internet) bodisi na drug telefon (telefonski klic, besedilno sporočilo itd.).

Obstajajo lahko različne vrste obdelave. Na primer, ena pomembna razlika med elektromagnetnimi valovi, ki jih oddaja vaš telefon, in valovi laserja, ki potuje po optičnih vlaknih, je valovna dolžina. Radijski valovi, ki jih oddaja in sprejema vaš telefon, so dolgi približno meter. Nasprotno pa so infrardeči valovi, ki potujejo skozi optično omrežje, dolgi približno milijoninko metra. Upoštevajte, da nobena od teh valovnih dolžin ne vpliva na elektrone v vašem očesu, saj niso vidne valovne dolžine (dolge približno 500 milijard metra).

Nekako je treba sporočilo iz telefona 'prevesti' iz radia v infrardeče valove. Če bi uporabljali Morsejevo abecedo, bi si morda predstavljali, da radijski valovi, ki jih zazna vaš ponudnik, utripajo in ugasnejo ter vsebujejo vaše sporočilo. Laser, ki ga upravlja vaš ponudnik, mora biti narejen tako, da proizvaja enako zaporedje utripov, ki potujejo skozi optično omrežje.

Vzroki za prekinitev te komunikacijske verige med monsunom so drugačni v primerjavi z omrežjem z optičnimi vlakni.

Radijski valovi, ki potujejo med vašim telefonom in celičnim stolpom, lahko povzročijo, da se elektroni v vodnih kapljicah premikajo, kar prekine komunikacijo. Velikost in število dežnih kapljic zmanjšujeta moč signala zaradi razprševanja radijskih valov, medtem ko vodna para v atmosferi absorbira radijske valove in jih pretvarja v toploto (kot v vaši mikrovalovni pečici).

Poleg tega lahko močan monsunski dež, veter in strele poškodujejo stolpe, kar povzroči motnje na območju, ki ga pokrivajo. Upoštevajte, da se tudi zaradi tega na nekaterih območjih znajdete brez signala – v bližini ni mobilnega stolpa. Morda pa je najpogostejši vzrok za prekinitev 'zagozdenje'. Ko poskuša preveč ljudi hkrati komunicirati prek lokacij za obdelavo signalov, se nekatera sporočila izgubijo.

Prenos tega najljubšega mema iz avtorjevega računalnika v vaš je torej napor, ki vključuje elektromagnetne valove, ki potujejo več tisoč kilometrov. To je izjemen dosežek sodobne znanosti in zdelo bi se neverjetno, da sploh deluje! Morda bo to nekoliko olajšalo vaše razočaranje, ko se vam naslednjič med nevihto izklopi internet!

Delite S Prijatelji: