Земля подвергается космической бомбардировке…

Популярная механикаНаука

Космические дожди: опасно ли это для человека

Земля подвергается космической бомбардировке… Нет, это не цитата из фантастического боевика, а реальность – нашу планету постоянно «обстреливают» потоки заряженных частиц из глубокого космоса.

Алексей Левин

При столкновениях с атомами газов в составе воздуха космические частицы запускают ветвящиеся цепочки ядерных реакций, которые производят множество вторичных продуктов. Влетевший в атмосферу протон с энергией в десятки и сотни ТэВ, дает начало другим высокоэнергетичным частицам, которые рассеиваются на окружающих атомах и вызывают к жизни следующие поколения частиц. В результате в воздушном бассейне происходит каскадное рождение частиц, многие из которых оказываются нестабильными и быстро распадаются. Так возникают многочастичные атмосферные ливни, которые впервые наблюдал Дмитрий Скобельцын в конце 1920-х годов.

От капли к ливням

Площадь выпадения ливня и общее количество его «капель» резко возрастают по мере роста энергии первичной частицы. Протон с энергией порядка 1015 эВ рождает около миллиона вторичных частиц, 1016 эВ — до десяти миллионов, 1020 эВ — несколько миллиардов. Каскадные процессы такого масштаба, названные широкими атмосферными ливнями, впервые наблюдал в 1938 году французский физик Пьер Оже. Его имя носит действующая с 2005 года крупная международная обсерватория космических лучей, расположенная на западе Аргентины.

3c06930d77fa6788de3da1559ca90e40.jpg
Установленный в 2011 году на Международной космической станции детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) для изучения космических лучей за 14 месяцев работы зарегистрировал 18 млрд. частиц. Это больше, чем число частиц, зарегистрированных всеми наземными детекторами за более чем сто лет.

Регистрация широких ливней — дело нелегкое. На квадратный километр верхней границы атмосферы в среднем ежегодно падает одна частица с энергией 1019 эВ, в то время как частица с энергией 1020 эВ пересекает такую же площадь намного реже, чем раз в столетие. Поэтому для детектирования ливней, порожденных такими частицами, строят установки великанских размеров. Так, главный комплекс Обсерватории имени Пьера Оже состоит из 1600 цистерн со сверхчистой водой и датчиками черенковского излучения, разбросанных на площади 3000 км².

За формирование ливня отвечают процессы двух типов — адронные и электромагнитные. Первичный протон сталкивается с атомным ядром и разбивает его на осколки. Если его энергия не превышает нескольких сотен МэВ, этим все и кончается, однако протоны с энергиями в десятки и сотни ГэВ вызывают уже куда более серьезные последствия. После первого столкновения такой протон продолжает движение с меньшей энергией (порядка 30% первоначальной). Входе этой встречи, как правило, рождаются заряженные и нейтральные пионы, но могут возникать и более массивные частицы. Заряженный пион либо сталкивается с ядром другого атома и дает начало новым ядерным процессам, либо не успевает этого сделать и распадается на мюон того же знака и мюонное нейтрино (есть и другой канал распада, но его вероятность очень мала). Мюон, чье огромное по меркам элементарных частиц время жизни измеряется парой микросекунд, движется почти со скоростью света и очень слабо взаимодействует с атомными ядрами, немного теряя энергию только при проходе через их электронные оболочки. Поэтому он имеет отличные шансы дойти до земной поверхности и даже проникнуть глубоко под землю.

8d6ac444ac519c8641e93e080a82f8a3.jpg

В конце концов мюоны тоже распадаются, причем почти всегда на электрон либо позитрон (в зависимости от их знака) и пару нейтрино, мюонное и электронное. Нейтральный пион, который живет примерно в сто миллионов раз меньше заряженного, скорее всего, ни с чем не столкнется и превратится в атмосфере в пару фотонов гамма-излучения. Они рассеиваются на атомах и производят электронно-позитронные пары, причем позитроны быстро аннигилируют, давая начало новым гамма-квантам. Так запускается электромагнитный ливневый каскад, приводящий к рождению мягкой компоненты космического излучения. Одновременно первичный протон, пусть и отдавший часть энергии, а также не успевшие распасться пионы и другие нестабильные частицы продолжают сталкиваться с атомными ядрами, давая начало все новым сильно взаимодействующим частицам адронного каскада. В ходе всех этих превращений возникают не только пионы, но и другие адроны, такие как каоны и гипероны.

Атмосфера под обстрелом

Космические лучи вполне реально воздействуют на земную атмосферу. Если протоны просто разбивают попавшиеся им ядра, то их более массивные партнеры могут и сами дробиться на части (например, прилетевшее из космоса ядро магния может расколоться на шесть альфа-частиц). Две такие реакции заслуживают специального упоминания. В числе вторичных продуктов космические лучи порождают нейтроны, часть их настолько замедляется при столкновениях с атомами воздуха, что сливается с ядрами атмосферного азота. Таким путем на 15-километровой высоте возникают ядра нестабильного изотопа углерода 14С с периодом полураспада 5730 лет. Соединяясь с кислородом, он образует радиоактивный углекислый газ 14СО2, который наравне с обычной углекислотой поглощается растениями и участвует в процессах фотосинтеза. Это обстоятельство лежит в основе метода радиоуглеродной датировки, который широко применяют в палеонтологии и археологии. С помощью углерода -14 и куда более долгоживущего радиоактивного изотопа бериллия 10Be космического происхождения можно даже восстанавливать историю колебаний интенсивности самих космических лучей на глубину до 200 000 лет (это направление исследований называется экспериментальной палеоастрономией).

Атмосферные ливни могут инициировать и ультрарелятивистские электроны, приходящие из космоса. Однако они выпадают нечасто, поскольку плотность таких электронов очень мала. В космосе они возникают в изобилии, однако быстро тормозятся, рассеиваясь на фотонах и излучая электромагнитные волны при прохождении через магнитные поля. Поэтому электроны с энергиями порядка 1000 ГэВ приходят к Земле только от довольно близких источников, расстояния до которых не превышают 3000 световых лет. Космические протоны высоких энергий покрывают неизмеримо большие дистанции.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как клетчатка помогает снизить вес и улучшить здоровье Как клетчатка помогает снизить вес и улучшить здоровье

Сколько пищевых волокон и зачем необходимо организму

РБК
Космический мусор: все, что ты хотел (или не хотел) знать о восьми тысячах тонн, летающих у тебя над головой Космический мусор: все, что ты хотел (или не хотел) знать о восьми тысячах тонн, летающих у тебя над головой

Человечество с размахом замусоривает и околоземную орбиту

Maxim
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Кимчи, лаваш и васёку: какая еда входит в список мирового наследия ЮНЕСКО Кимчи, лаваш и васёку: какая еда входит в список мирового наследия ЮНЕСКО

Ни оливье, ни крабового в списке нет.

Playboy
Степные коньки сменили места зимовок в тропической Азии на Средиземноморье Степные коньки сменили места зимовок в тропической Азии на Средиземноморье

Мелкие певчие птицы с равнин Сибири нашли новое место для зимовки

N+1
Сьюки-любовь Сьюки-любовь

Сьюки Уотерхаус рассказала о том, как начала просто петь

Harper's Bazaar
Метавселенная за $5 млрд: как бренды зарабатывают в выдуманном мире Метавселенная за $5 млрд: как бренды зарабатывают в выдуманном мире

Метавселенная — это реальность, а не будущее

Forbes
Самые экстремальные предложения в туризме: от прогулки по «тропе смерти» до дайвинга между континентами Самые экстремальные предложения в туризме: от прогулки по «тропе смерти» до дайвинга между континентами

Как спланировать сложный и необычный маршрут с нотками авантюризма

Playboy
«Счастье не за горами»: 7 шагов на пути к лучшей жизни «Счастье не за горами»: 7 шагов на пути к лучшей жизни

Чтобы стать счастливее, достаточно пары несложных действий

Psychologies
Стены без окон и другие хитрости: как магазины заставляют нас тратить деньги Стены без окон и другие хитрости: как магазины заставляют нас тратить деньги

Как нас заставляют терять контроль и покупать то, что нам не нужно?

Psychologies
Николай Цискаридзе: те, кого он любил Николай Цискаридзе: те, кого он любил

Николай Цискаридзе — талант, влюбленность в искусство и бойцовский характер

СНОБ
«Сломить кулацкий саботаж» «Сломить кулацкий саботаж»

Постановление политбюро ЦК КП(б) Украины от 27 ноября 1932 года

Дилетант
Искусство лени Искусство лени

О личной эффективности говорят все, но мало кто вспоминает о пользе безделья

Psychologies
«Последняя дуэль» Ридли Скотта: эпик о феминизме в средневековом обществе «Последняя дуэль» Ридли Скотта: эпик о феминизме в средневековом обществе

«Последняя дуэль» Ридли Скотта: исторический эпик об изнасилованной женщине

Forbes
Для твоей внутренней мисс Марпл: лучшие детективные сериалы Netflix Для твоей внутренней мисс Марпл: лучшие детективные сериалы Netflix

Собрали наши любимые детективные сериалы Netflix и смело рекомендуем к просмотру

Cosmopolitan
Свобода власти: почему за 30 лет в России так и не появилось политической конкуренции Свобода власти: почему за 30 лет в России так и не появилось политической конкуренции

Почему в стране не возникло движений, способных оказать давление на власть

Forbes
Железная ферма Сэма Дила: необычные скульптуры Железная ферма Сэма Дила: необычные скульптуры

Живет в жаркой австралийской глубинке веселый человек по имени Сэм Дил

Популярная механика
6 полезных жизненных навыков, которым могут научить видеоигры 6 полезных жизненных навыков, которым могут научить видеоигры

Могут ли видеоигры научить чему-то полезному?

Maxim
Батут в гримерке и еще 5 интересных фактов о Дэнни Де Вито Батут в гримерке и еще 5 интересных фактов о Дэнни Де Вито

Дэнни Де Вито несмотря на маленькой рост смог стать всемирным любимцем

Maxim
Поехали за зимой Поехали за зимой

Куда можно отправиться за волшебным настроением по просторам России

Домашний Очаг
Неблагородные рыцари: почему «Последняя дуэль» — лучший фильм Ридли Скотта со времен «Гладиатора» Неблагородные рыцари: почему «Последняя дуэль» — лучший фильм Ридли Скотта со времен «Гладиатора»

Ридли Скотт объединяет юношескую энергию и седую мудрость в «Последней дуэли»

Esquire
Самый дорогой орех: чем полезна макадамия Самый дорогой орех: чем полезна макадамия

Что известно о составе и пользе макадамии?

РБК
Нюхай апельсины, полюби лаванду: 5 привычек, которые изменят жизнь к лучшему Нюхай апельсины, полюби лаванду: 5 привычек, которые изменят жизнь к лучшему

Каждая из этих привычек поможет тебе изменить жизнь к лучшему в рекордные сроки

Cosmopolitan
Роботы и тяга к блаженству: почему эксперты обеспокоены тем, что ИИ может стать гедонистом Роботы и тяга к блаженству: почему эксперты обеспокоены тем, что ИИ может стать гедонистом

Что такое вайрхэндинг и как он связан с искусственным интеллектом?

Популярная механика
Не перейти черту Не перейти черту

Как научиться защищать свои личные границы

Лиза
Как похудел Гарик Харламов: секретная диета шоумена Как похудел Гарик Харламов: секретная диета шоумена

Как поправился и похудел Харламов

Cosmopolitan
Сама себе режиссер Сама себе режиссер

Карина Нигай – о том, как блогеры поменяли правила fashion-индустрии

Harper's Bazaar
«Свекровь тайно подменяла смесью мое грудное молоко, так как считает его грязным» «Свекровь тайно подменяла смесью мое грудное молоко, так как считает его грязным»

Кормление грудью все еще остается табуированной темой в обществе

Psychologies
Арендаторы хотят комфорта Арендаторы хотят комфорта

Всплеск цен на аренду жилья вызван отложенным спросом и сезонной активностью

Эксперт
Почему Россия не стремится защищать Армению от азербайджанского вторжения Почему Россия не стремится защищать Армению от азербайджанского вторжения

Нельзя защищать тех, кто сделал все, чтобы сдать свои территории

СНОБ
Открыть в приложении