전문가 설명: 빗속에서 인터넷 연결이 불안정해지는 이유는 무엇입니까?

비가 오면 인터넷 연결이 불안정해지고 휴대전화에 문제가 생기기 시작하는 이유는 무엇입니까? 그 이유는 전기력의 특성과 악천후가 작동을 방해하는 방식에 있습니다.

2020년 8월 28일 뉴델리의 한 도로에서. (사진출처: Amit Mehra)

몬순이 공식적으로 물러나기 시작하면서 인도의 많은 사람들은 비가 올 때마다 예상했던 현상인 인터넷 연결이 불안정해지고 휴대전화 네트워크가 악화되는 현상에서 어느 정도 완화되기를 고대할 것입니다. 왜 이런 일이 발생합니까?

1860년대에 스코틀랜드의 물리학자 제임스 맥스웰은 초당 3억 미터의 속도로 이동하는 새로운 종류의 '전자기파'의 존재를 예측했습니다. 수십 년 후 Heinrich Hertz는 Maxwell의 이론을 실험적으로 검증했으며 1895년 Jagadish Chandra Bose 경은 캘커타에서 처음으로 23미터 거리에 있는 전자기파와 무선 통신을 시연하여 현대 통신 시스템의 기초를 확립했습니다.

오늘날 우리가 대륙을 가로질러 인터넷을 통해 어떻게 통신하거나 메시지를 보내는지 이해하려면 먼저 이러한 통신이 어떻게 방해를 받는지 이해하려면 먼저 전기력의 근본적인 특성을 이해해야 합니다.

Varun Makhija는 University of Mary Washington의 물리학 조교수입니다.

통신하는 전자

자연이 모든 물질을 만드는 데 사용하는 세 가지 기본 빌딩 블록 또는 '레고 벽돌'이 있습니다. 두 종류의 쿼크와 전자가 있습니다. 우리의 목적을 위해 우리는 전자에 대해서만 논의할 필요가 있습니다.

모든 물질은 수많은 전자로 구성되어 있습니다. 다른 레고 브릭과 마찬가지로 전자도 질량이라는 속성을 가지고 있는데, 이는 중력이 얼마나 강하게 작용하는지를 나타내므로 무게와 직접적인 관련이 있습니다.

전하라고 하는 전자의 또 다른 특성은 전기력이 전자에 얼마나 강하게 작용하는지를 나타냅니다. 전자의 전하는 또한 전하를 가진 다른 물체(예: 다른 두 개의 레고 브릭)에 가하는 전기력의 강도를 결정합니다. 이 힘은 중력과 마찬가지로 멀리서 작용합니다. 따라서 멀리 떨어져 있는 두 개의 전자는 접촉하지 않고 전기력을 가합니다. 전자는 전하를 띠고 있기 때문에 그 주위의 공간은 전기장으로 채워진다.

전자가 생성하는 바다에 산다고 상상한다면 전자를 흔들면 이 바다에서 파동을 일으킬 수 있습니다. 이것은 잔물결이 고요한 연못에 던져져 멀리 가는 것과 비슷합니다. 이 파도가 우리 전자의 바다에 있는 다른 전자를 지나갈 때, 이 다른 전자는 파도가 당신을 덮칠 때처럼 위아래로 튕겨 나갈 것입니다.

이것이 우리가 소통하는 방법입니다. 전자기파는 전자를 흔들면서 특정 위치에서 시작되어 먼 위치의 전자를 씻어냅니다. '시그널'이라는 단어는 구체적으로 전자파를 의미합니다. 파장(파동의 피크 사이의 거리)이 특정 범위 내에 있는 경우 눈에 있는 전자도 이러한 파동에 반응할 수 있습니다. 이 특정 파장 범위에서 전자기파가 눈에 보입니다. 그들은 빛이다! 가장 기본적인 장거리 통신 형태인 밝은 빛을 번쩍이고 모스 부호를 사용하는 것은 한 위치에서 다른 위치로 전자파를 전달하는 방식입니다.

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광섬유 및 비

이러한 개념은 더 이상 중요한 유일한 통신 방식인 인터넷을 이해할 수 있도록 합니다. 이것은 본질적으로 전자기파를 서로 전송하여 통신할 수 있는 전 세계의 방대한 컴퓨터 네트워크입니다.

전파를 전송하는 두 가지 기본 방법이 있습니다. 광섬유를 사용하는 것과 셀룰러 타워(위성 링크를 통해)를 사용하는 것입니다. 광섬유는 사람의 머리카락보다 얇은 굵기의 길고 가는 유리 막대입니다. 내부 전반사 현상으로 인해 빛이 막대에 가두어집니다. 밀도가 높은 매질에서 밀도가 낮은 매질로(예: 유리에서 공기로) 이동하는 빛이 임계각에서 두 투명 매질 사이의 표면에 닿으면 밀도가 높은 매질로 완전히 반사됩니다. 이러한 방식으로 전자기파는 섬유 내부에 갇혀 길이를 따라 이동합니다. 수십만 킬로미터의 섬유를 연결하거나 연결하여 지하 또는 해저에 묻으면 전 세계적으로 통신이 가능합니다. 통신에 사용되는 전자파(적외선)는 레이저에서 발생하는 것으로 가시광선보다 파장이 약간 길기 때문에 우리 눈에는 보이지 않습니다.

인도의 광섬유 네트워크는 VSNL에서 시작했으며 현재 Tata Communications에서 소유 및 개발하고 있습니다. 모든 인터넷 서비스 제공업체는 어떤 방식으로든 이 '계층 1' 네트워크에 연결하고 결국에는 가정에 연결합니다. 이러한 2차 연결은 반드시 광학적일 필요는 없으며 여러 전기 구성 요소를 포함합니다. (참고: 전기 케이블은 전자파보다 전자를 전달하지만, 이는 다른 날의 주제입니다!) 디지털 통신을 위해 조명을 증폭하고 켜고 끄기 위해 전체 광섬유 네트워크를 따라 전기 부품도 필요합니다.

몬순 비는 여러 가지 방법으로 이 지하 네트워크를 방해할 수 있습니다. 지면으로 스며드는 물과 산사태의 조합은 네트워크의 다양한 전기 부품을 손상시키거나 섬유가 함께 접합되는 위치에 물리적 손상을 일으킬 수 있습니다.

지역 서비스 공급자가 Tier 1 광 네트워크에 연결한 다음 집에 연결하는 중간 위치에서도 유사한 손상 또는 정전이 발생할 수 있습니다. 광섬유에는 코어, 클래딩 및 플라스틱 보호 코팅이 있으며 방수 보호 인클로저에 보관되어 있어 신호 전송이 비의 영향을 가장 적게 받습니다. 두 개의 섬유를 결합하는 동안 코팅이 제거됩니다. 광섬유가 시작하거나 끝나는 위치('접합 상자'로 알려짐)에서는 광섬유가 빗물에 노출되어 신호 강도가 감소할 가능성이 있습니다. 또한 물 분자는 섬유의 미세 균열을 통해 방법을 찾아 결국 섬유의 수명에 영향을 줄 수 있습니다.

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빗속의 휴대폰

휴대 전화가 인터넷에 연결되면 전자기파가 기기에서 공중을 통해 기지국으로 이동합니다. 이것을 거대한 안테나라고 생각할 수 있습니다. 이 안테나의 전자는 위아래로 바운스됩니다. 이 작업을 수행할 때 자체 전자파를 생성하여 서비스 공급자가 관리하는 중앙 위치로 이동합니다. 이 위치에서 파동이 어떤 식으로든 '처리'되어 광섬유 네트워크(인터넷) 또는 다른 전화(전화 통화, 문자 메시지 등)로 전송됩니다.

다양한 종류의 처리가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 휴대전화에서 방출되는 전자기파와 광섬유에서 이동하는 레이저의 전자기파 사이의 중요한 차이점 중 하나는 파장입니다. 휴대전화에서 송수신되는 전파의 길이는 약 1미터입니다. 대조적으로, 광섬유 네트워크를 통해 이동하는 적외선 파장은 길이가 약 100만분의 1미터입니다. 이 파장 중 어느 것도 눈에 있는 전자에 영향을 미치지 않습니다. 왜냐하면 가시 파장(약 5000억분의 1미터 길이)이 아니기 때문입니다.

어떻게 해서든 휴대전화의 메시지는 라디오에서 적외선으로 '번역'되어야 합니다. 모스 부호를 사용하는 경우 공급자가 감지한 전파가 깜박이고 깜박이고 메시지가 포함되어 있다고 상상할 수 있습니다. 공급자가 관리하는 레이저는 광섬유 네트워크를 통해 이동하는 동일한 순서의 플래시를 생성하도록 만들어야 합니다.

우기 동안 이 통신 체인이 중단되는 이유는 광섬유 네트워크와 다릅니다.

휴대전화와 기지국 사이를 이동하는 전파로 인해 물방울에 있는 전자가 흔들려 통신이 중단될 수 있습니다. 빗방울의 크기와 수는 전파의 산란으로 인해 신호 강도를 감소시키는 반면 대기의 수증기는 전파를 흡수하여 열로 변환합니다(전자레인지에서와 같이).

또한, 폭우, 바람 및 번개가 많이 오면 기지국이 손상되어 기지국이 커버하는 지역이 중단될 수 있습니다. 이것이 일부 지역에서 신호가 없는 이유이기도 합니다. 근처에 기지국이 없습니다. 그러나 아마도 가장 일반적인 중단 원인은 '재밍'일 것입니다. 너무 많은 사람들이 동시에 신호 처리 위치를 통해 통신하려고 하면 일부 메시지가 손실됩니다.

따라서 작성자의 컴퓨터에서 좋아하는 밈을 귀하의 컴퓨터로 가져오는 것은 수천 킬로미터를 이동하는 전자기파와 관련된 노력입니다. 그것은 현대 과학의 비범한 성취이며, 그것이 전혀 효과가 있다는 것은 놀랍게 보일 것입니다! 아마도 이것은 다음에 폭풍우가 몰아치는 동안 인터넷이 꺼질 때 좌절감을 어느 정도 완화할 수 있을 것입니다!

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