Ein Experte erklärt: Warum wird eine Internetverbindung bei Regen unzuverlässig? - Oktober 2022

Warum wird Ihre Internetverbindung unzuverlässig und Ihr Handy macht Probleme, wenn es regnet? Der Grund liegt in der Natur der elektrischen Kraft – und in der Art und Weise, wie schlechtes Wetter ihre Funktion stört.

Indien-Monsun, Regen und Internet, Monsun und Internetverbindung, Indien-Regen, Regen Handy-Konnektivität, Indian ExpressAuf einer Straße in Neu-Delhi am 28. August 2020. (Express-Foto: Amit Mehra)

Wenn sich der Monsun offiziell zurückzieht, freuen sich viele in Indien über eine Linderung von einem Phänomen, das sie bei Regen erwarten: Internetverbindungen werden instabil, Mobilfunknetze verschlechtern sich. Warum passiert das?



In den 1860er Jahren sagte der schottische Physiker James Maxwell die Existenz einer neuen Art von „elektromagnetischen“ Wellen voraus, die sich mit einer Geschwindigkeit von ~300 Millionen Metern pro Sekunde ausbreiten. Einige Jahrzehnte später bestätigte Heinrich Hertz experimentell Maxwells Theorie und 1895 demonstrierte Sir Jagadish Chandra Bose in Kalkutta erstmals die drahtlose Kommunikation mit elektromagnetischen Wellen über eine Distanz von 23 Metern und legte damit die Grundlage für ein modernes Kommunikationssystem.

Um zu verstehen, wie wir heute über das Internet über Kontinente hinweg kommunizieren oder Nachrichten senden – und wie diese Kommunikation dann gestört wird – müssen wir zunächst die grundlegende Natur der elektrischen Kraft verstehen.

Der Experte

Varun Makhija ist Assistant Professor für Physik an der University of Mary Washington.

Elektronen in der Kommunikation

Es gibt drei grundlegende Bausteine ​​oder „Lego-Bausteine“, aus denen die Natur alle Materie herstellt – zwei Arten von Quarks und das Elektron. Für unsere Zwecke brauchen wir nur das Elektron zu diskutieren.

Alle Materie besteht aus vielen, vielen Elektronen. Wie die anderen Legosteine ​​haben auch Elektronen eine Eigenschaft namens Masse, die angibt, wie stark die Gravitationskraft auf sie einwirkt, und steht somit in direktem Zusammenhang mit ihrem Gewicht.

Eine andere Eigenschaft von Elektronen, die elektrische Ladung genannt wird, gibt an, wie stark die elektrische Kraft auf sie einwirkt. Die Ladung des Elektrons entscheidet auch über die Stärke der elektrischen Kraft, die es auf andere, ebenfalls geladene Objekte (wie zum Beispiel die beiden anderen Legosteine) ausübt. Diese Kraft wirkt wie die Schwerkraft aus der Ferne. Zwei weit voneinander entfernte Elektronen wenden also elektrische Kräfte an, ohne jemals Kontakt zu haben. Da ein Elektron geladen ist, wird der Raum um es herum mit einem elektrischen Feld gefüllt.

Wenn Sie sich vorstellen, dass ein Elektron in einem Ozean lebt, den es erzeugt, können Sie, wenn Sie das Elektron wackeln, eine Welle in diesem Ozean auslösen. Dies ist vergleichbar mit dem Werfen eines Steins in einen stillen Teich, der Wellen erzeugt, die sich davon entfernen. Wenn diese Welle an einem anderen Elektron vorbeigeht, das sich zufällig im Ozean unseres Elektrons befindet, springt dieses andere Elektron auf und ab – wie Sie es vielleicht tun würden, wenn eine Ozeanwelle über Sie hinwegspült.


Wie viel ist John Green wert?

So kommunizieren wir. Eine elektromagnetische Welle wird an einem bestimmten Ort durch wackelnde Elektronen ausgelöst, die dann an einem entfernten Ort Elektronen überspülen. Das Wort „Signal“ bedeutet speziell elektromagnetische Wellen. Auch die Elektronen in Ihren Augen können auf diese Wellen reagieren, sofern die Wellenlänge – der Abstand zwischen den Wellenspitzen – in einem bestimmten Bereich liegt. In diesem Wellenlängenbereich sind elektromagnetische Wellen für uns sichtbar; sie sind leicht! Die einfachste Form der Fernkommunikation – helles Licht blinken und Morsecode verwenden – verwendet die Übertragung elektromagnetischer Wellen von einem Ort zum anderen.

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Glasfasern & der Regen

Diese Konzepte ermöglichen es uns, die einzige noch relevante Kommunikationsform zu verstehen, das Internet. Dies ist im Wesentlichen ein riesiges Netzwerk von Computern auf der ganzen Welt, die elektromagnetische Wellen aufeinander übertragen und somit kommunizieren können.

Es gibt zwei Hauptwege, um Wellen zu transportieren – über Glasfaser und Mobilfunkmasten (über Satellitenverbindung). Optische Fasern sind lange, dünne Glasstäbe mit einer Dicke von weniger als menschlichem Haar. Das Licht wird aufgrund des Phänomens der Totalreflexion im Stab eingeschlossen. Wenn Licht, das von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium wandert (z. B. von Glas zu Luft), unter einem kritischen Winkel auf die Oberfläche zwischen zwei transparenten Medien trifft, wird es vollständig in das dichtere Medium zurückreflektiert. Auf diese Weise werden elektromagnetische Wellen in der Faser eingefangen und breiten sich entlang der Faser aus. Das Spleißen oder Verbinden von Hunderttausenden Kilometern von Fasern und das Vergraben unter der Erde oder unter Wasser ermöglicht die Kommunikation auf der ganzen Welt. Die zur Kommunikation verwendeten elektromagnetischen Wellen (Infrarotwellen) werden von Lasern erzeugt und haben eine etwas längere Wellenlänge als sichtbares Licht, sodass sie für uns unsichtbar sind.

Das Glasfasernetz in Indien wurde von VSNL initiiert und befindet sich derzeit im Besitz von Tata Communications und wird von diesem entwickelt. Alle Internetdienstanbieter verbinden sich in irgendeiner Weise mit diesem „Tier 1“-Netzwerk und schließlich mit Ihrem Zuhause. Diese sekundären Verbindungen sind nicht unbedingt optisch und umfassen mehrere elektrische Komponenten. (Hinweis: Elektrokabel übertragen eher Elektronen als elektromagnetische Wellen, aber das ist ein Thema für einen anderen Tag!) Auch entlang des gesamten Glasfasernetzes werden elektrische Komponenten benötigt, um das Licht für die digitale Kommunikation zu verstärken und ein- und auszuschalten.

Monsunregen könnte dieses unterirdische Netzwerk in vielerlei Hinsicht unterbrechen. Die Kombination von in den Boden eindringendem Wasser und Erdrutschen kann die verschiedenen elektrischen Komponenten im Netzwerk beschädigen oder an Stellen, an denen die Fasern gespleißt werden, physische Schäden verursachen.

Ähnliche Schäden oder Stromausfälle können auch an Zwischenstandorten auftreten, an denen sich Ihr lokaler Dienstanbieter mit dem optischen Tier-1-Netzwerk und dann mit Ihrem Zuhause verbindet. Die Faser hat einen Kern, eine Ummantelung und eine Kunststoffschutzbeschichtung und wird in einem wasserdichten Schutzgehäuse gehalten, sodass die Signalübertragung am wenigsten durch Regen beeinträchtigt wird. Beim Verbinden zweier Fasern wird die Beschichtung entfernt. An Stellen, an denen Fasern beginnen oder enden (sogenannte „Spleißboxen“), besteht die Möglichkeit, dass die Fasern Regenwasser ausgesetzt werden, was zu einer Verringerung der Signalstärke führt . Darüber hinaus können Wassermoleküle über Mikrorisse in den Fasern einen Weg finden und die Lebensdauer der Faser beeinträchtigen.

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Handys im Regen

Wenn Ihr Mobiltelefon mit dem Internet verbunden ist, wandern elektromagnetische Wellen von Ihrem Gerät durch die Luft zu einem Mobilfunkmast. Das könnte man sich wie eine riesige Antenne vorstellen. Die Elektronen in dieser Antenne prallen auf und ab. Dabei erzeugen sie ihre eigenen elektromagnetischen Wellen, die zu einem zentralen Ort geleitet werden, der von Ihrem Dienstanbieter verwaltet wird. An diesem Ort werden die Wellen in irgendeiner Weise „verarbeitet“ und entweder an das Glasfasernetz (das Internet) oder ein anderes Telefon (Telefonanruf, SMS usw.) gesendet.

Es gibt verschiedene Arten der Verarbeitung, die auftreten können. Ein wichtiger Unterschied zwischen den elektromagnetischen Wellen, die von Ihrem Telefon ausgesendet werden, und denen des Lasers, der sich in der Glasfaser ausbreitet, ist beispielsweise die Wellenlänge. Die von Ihrem Telefon ausgesendeten und empfangenen Funkwellen sind ungefähr einen Meter lang. Im Gegensatz dazu sind die Infrarotwellen, die durch das Glasfasernetz wandern, ungefähr ein Millionstel Meter lang. Beachten Sie, dass keine dieser Wellenlängen die Elektronen in Ihrem Auge beeinflusst, da sie keine sichtbaren Wellenlängen sind (etwa 500 Milliardstel Meter lang).

Irgendwie muss die Nachricht von Ihrem Telefon vom Radio in Infrarotwellen 'übersetzt' werden. Wenn Sie Morsecode verwenden, können Sie sich vorstellen, dass die von Ihrem Provider erkannten Funkwellen ein- und ausgeschaltet werden und Ihre Nachricht enthalten. Der von Ihrem Anbieter verwaltete Laser muss die gleiche Blitzfolge erzeugen, die durch das Glasfasernetz wandert.

Die Gründe für die Unterbrechung dieser Kommunikationskette während des Monsuns sind andere als beim Glasfasernetz.

Die zwischen Ihrem Telefon und dem Mobilfunkmast übertragenen Funkwellen können Elektronen in Wassertropfen zum Wackeln bringen und die Kommunikation unterbrechen. Die Größe und Anzahl der Regentropfen verringert die Signalstärke aufgrund der Streuung der Funkwellen, während Wasserdampf in der Atmosphäre die Funkwellen absorbiert und in Wärme umwandelt (wie in Ihrem Mikrowellenherd).

Darüber hinaus können starker Monsunregen, Wind und Blitz die Mobilfunkmasten beschädigen, was zu Unterbrechungen in dem von ihnen abgedeckten Bereich führt. Beachten Sie, dass Sie aus diesem Grund in einigen Bereichen auch ohne Signal sind – es gibt keinen Mobilfunkmast in der Nähe. Aber vielleicht ist die häufigste Ursache für Unterbrechungen „Jamming“. Wenn zu viele Personen gleichzeitig versuchen, über Signalverarbeitungsstandorte zu kommunizieren, gehen einige Nachrichten verloren.

Dieses Lieblingsmem vom Computer seines Autors auf Ihren zu bekommen, ist daher eine Anstrengung, bei der elektromagnetische Wellen viele tausend Kilometer zurücklegen. Es ist eine außergewöhnliche Errungenschaft der modernen Wissenschaft, und es scheint erstaunlich, dass es überhaupt funktioniert! Vielleicht kann dies Ihre Frustration etwas lindern, wenn Ihr Internet das nächste Mal während eines Gewitters ausfällt!