En expert förklarar: Varför blir en internetanslutning opålitlig i regn?

Varför blir din internetanslutning opålitlig och din mobiltelefon börjar ge problem när det regnar? Orsaken ligger i den elektriska kraftens natur - och de sätt på vilka dåligt väder stör dess funktion.

På en väg i New Delhi den 28 augusti 2020. (Expressfoto: Amit Mehra)

När monsunen officiellt börjar dra sig tillbaka kommer många i Indien att se fram emot lite lättnad från ett fenomen som de har kommit att förvänta sig när det regnar: Internetanslutningar blir instabila och mobiltelefonnäten försämras. Varför händer detta?

På 1860-talet förutspådde den skotske fysikern James Maxwell förekomsten av en ny sorts 'elektromagnetiska' vågor som färdas med en hastighet av ~300 miljoner meter/sekund. Ett par decennier senare verifierade Heinrich Hertz Maxwells teori experimentellt och 1895 demonstrerade Sir Jagadish Chandra Bose för första gången trådlös kommunikation med elektromagnetiska vågor över ett avstånd av 23 meter i Calcutta, vilket etablerade grunden för ett modernt kommunikationssystem.

För att förstå hur vi kommunicerar eller skickar meddelanden idag via Internet över kontinenter – och sedan hur denna kommunikation störs – måste vi först förstå den grundläggande naturen hos elektrisk kraft.

Varun Makhija är biträdande professor i fysik vid University of Mary Washington.

Elektroner i kommunikation

Det finns tre grundläggande byggstenar, eller 'legoklossar' som naturen använder för att göra all materia - två sorters kvarkar och elektronen. För våra syften behöver vi bara diskutera elektronen.

All materia består av många, många elektroner. Liksom de andra legoklossarna har elektroner en egenskap som kallas massa, som indikerar hur starkt gravitationskraften verkar på dem, och är därför direkt relaterad till deras vikt.

En annan egenskap hos elektroner som kallas elektrisk laddning indikerar hur starkt den elektriska kraften verkar på dem. Elektronens laddning bestämmer också styrkan på den elektriska kraft de applicerar på andra föremål som också har en laddning (som de två andra legoklossarna, till exempel). Denna kraft, liksom tyngdkraften, verkar på avstånd. Så två elektroner åtskilda av ett långt avstånd applicerar elektriska krafter utan att någonsin få kontakt. Eftersom en elektron är laddad fylls utrymmet runt den med ett elektriskt fält.

Om du föreställer dig att en elektron lever i ett hav som den skapar, kan du, om du vickar på elektronen, initiera en våg i detta hav. Detta liknar att kasta en sten i en stilla damm, vilket skapar krusningar som reser bort från den. När den här vågen passerar förbi en annan elektron som råkar finnas i vår elektrons hav, kommer denna andra elektron att studsa upp och ner – precis som du kan när en havsvåg sköljer över dig.

john lennon nettovärde

Det är så vi kommunicerar. En elektromagnetisk våg initieras på någon plats genom att vicklande elektroner, som sedan sköljer över elektroner på någon avlägsen plats. Ordet 'signal' betyder specifikt elektromagnetiska vågor. Elektronerna i dina ögon kan också reagera på dessa vågor, förutsatt att våglängden – avståndet mellan topparna i vågen – är inom ett specifikt område. I just detta våglängdsområde är elektromagnetiska vågor synliga för oss; de är lätta! Den mest grundläggande formen av långdistanskommunikation – att blinka ett starkt ljus och använda morsekod – använder överföring av elektromagnetiska vågor från en plats till en annan.

Express förklaratär nu påTelegram. Klick här för att gå med i vår kanal (@ieexplained) och håll dig uppdaterad med det senaste

Optiska fibrer & regnet

Dessa koncept utrustar oss att förstå det enda kommunikationssättet som är viktigt längre, Internet. Detta är i huvudsak ett stort nätverk av datorer över hela världen som kan överföra elektromagnetiska vågor till varandra och därför kommunicera.

Det finns två primära sätt att transportera vågor - med optisk fiber och cellulära torn (via satellitlänk). Optiska fibrer är långa, tunna glasstavar med mindre tjocklek än människohår. Ljus är begränsat i staven på grund av fenomenet total intern reflektion. När ljus som färdas från ett tätare medium till ett mindre tätt (till exempel från glas till luft) träffar ytan mellan två transparenta medier i en kritisk vinkel, reflekteras det helt och hållet tillbaka in i det tätare mediet. På så sätt fångas elektromagnetiska vågor inuti fibern och färdas längs med den. Att skarva eller sammanfoga hundratusentals kilometer fibrer och gräva ner dem under jorden eller under havet möjliggör kommunikation över hela världen. De elektromagnetiska vågorna som används för kommunikation (infraröda vågor) genereras av lasrar, och har en något längre våglängd än synligt ljus, så de är osynliga för oss.

Det optiska fibernätet i Indien initierades av VSNL och ägs och utvecklas för närvarande av Tata Communications. Alla Internetleverantörer ansluter på något sätt till detta 'Tier 1'-nätverk och så småningom till ditt hem. Dessa sekundära anslutningar är inte nödvändigtvis optiska och involverar flera elektriska komponenter. (Obs: Elkablar överför elektroner snarare än elektromagnetiska vågor, men det är ett ämne för en annan dag!) Elektriska komponenter krävs också längs hela det optiska fibernätverket för att förstärka och släcka ljuset för digital kommunikation.

Monsunregn kan avbryta detta underjordiska nätverk på många sätt. Kombinationen av vatten som sipprar ner i marken och jordskred kan skada de olika elektriska komponenterna i nätet, eller orsaka fysiska skador på platser där fibrerna skarvas ihop.

stor sean lön

Det kan också vara liknande skador, eller strömavbrott på mellanliggande platser, där din lokala tjänsteleverantör ansluter till det optiska nätverket Tier 1 och sedan till ditt hem. Fibern har en kärna, beklädnad och skyddande plastbeläggning och hålls i ett vattentätt skyddande hölje, så att signalöverföringen påverkas minst av regn. Beläggningen tas bort medan två fibrer sammanfogas. På platser där fibrer börjar eller slutar (så kallade 'skarvboxar') finns det en möjlighet att fibrer utsätts för regnvatten, vilket orsakar en minskning av signalstyrkan. Dessutom kan vattenmolekyler hitta en väg via mikrosprickor i fibrerna, vilket så småningom påverkar fiberns livslängd.

Missa inte från Explained | Indiens 13 luftbubblor och vem som får resa till dessa länder

Mobiltelefoner i regnet

lyor cohen nettovärde

När din mobiltelefon är ansluten till Internet färdas elektromagnetiska vågor från din enhet genom luften till ett mobiltorn. Du kan tänka dig det här som en gigantisk antenn. Elektronerna i denna antenn studsar upp och ner. När de gör detta producerar de sina egna elektromagnetiska vågor, som färdas till en central plats som hanteras av din tjänsteleverantör. På den här platsen 'behandlas' vågorna på något sätt och skickas antingen till det optiska fibernätet (internet) eller en annan telefon (telefonsamtal, textmeddelande, etc.).

Det finns olika typer av bearbetning som kan förekomma. Till exempel är en viktig skillnad mellan de elektromagnetiska vågorna som emitteras från din telefon och de från lasern som färdas i den optiska fibern våglängden. Radiovågorna som sänds ut från och tas emot av din telefon är ungefär en meter långa. Däremot är de infraröda vågorna som färdas genom fibernätet ungefär en miljondels meter långa. Observera att ingen av dessa våglängder påverkar elektronerna i ditt öga, eftersom de inte är synliga våglängder (cirka 500 miljarddels meter långa).

På något sätt måste meddelandet från din telefon 'översättas' från radio till infraröda vågor. Om du använde morsekod, kanske du föreställer dig att radiovågorna som upptäckts av din leverantör blinkar på och av och innehåller ditt meddelande. Lasern som hanteras av din leverantör måste göras för att producera samma sekvens av blixtar som går genom fibernätet.

Orsakerna till avbrott i denna kommunikationskedja under monsunen är olika jämfört med det optiska fibernätet.

Radiovågorna som färdas mellan din telefon och mobiltornet kan få elektroner i vattendroppar att vicka och avbryta kommunikationen. Storleken och antalet regndroppar minskar signalstyrkan på grund av spridningen av radiovågorna, medan vattenånga i atmosfären absorberar radiovågorna och omvandlar dem till värme (som i din mikrovågsugn).

Vidare kan kraftigt monsunregn, vind och blixtnedslag orsaka skador på celltorn, vilket resulterar i avbrott i området de täcker. Observera att det också är därför du befinner dig utan någon signal i vissa områden – det finns inget mobiltorn i närheten. Men den kanske vanligaste orsaken till avbrott är 'jamming'. När för många människor försöker kommunicera genom signalbehandlingsplatser samtidigt, försvinner vissa meddelanden.

Att få det favoritmemet från författarens dator till din är därför en ansträngning som involverar elektromagnetiska vågor som färdas många tusentals kilometer. Det är en extraordinär prestation av modern vetenskap, och det verkar fantastiskt att det överhuvudtaget fungerar! Kanske kan detta lindra din frustration något nästa gång ditt internet stängs av under en regnstorm!

Dela Med Dina Vänner: