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

Следите за руками: как распознать популярные жесты Следите за руками: как распознать популярные жесты

Движения рук могут подчас рассказать о человеке больше, чем слова

Psychologies

Дэвид Фостер Уоллес — о творческом методе Достоевского

Esquire
Почему ногти на руках растут быстрее, чем на ногах Почему ногти на руках растут быстрее, чем на ногах

Замечали ли вы, что ногти на ваших руках растут быстрее, чем на ногах?

Популярная механика
Как установить Windows 11 на совместимый и даже несовместимый ПК Как установить Windows 11 на совместимый и даже несовместимый ПК

Как установить Windows 11 на компьютер несколькими разными способами

CHIP
На Большом адронном коллайдере измерили силу взаимодействия протонов с φ-мезонами На Большом адронном коллайдере измерили силу взаимодействия протонов с φ-мезонами

Результаты исследования могут помочь понять свойства вакуума хромодинамики

N+1
11-летняя девочка совершила открытие на раскопках в Израиле 11-летняя девочка совершила открытие на раскопках в Израиле

Девочка нашла редчайшую монету на раскопках

National Geographic
Как охотники за багами и хакеры будут бороться с дискриминацией на рынке труда Как охотники за багами и хакеры будут бороться с дискриминацией на рынке труда

Могут ли нейросети помешать вам получить работу мечты?

Forbes
«Я разоблачил своих нечестных родителей, и меня выгнали из дома» «Я разоблачил своих нечестных родителей, и меня выгнали из дома»

Справедливо ли, когда только одному ребенку достается вся любовь родителей?

Psychologies
Астрономы отыскали первый затменный промежуточный поляр с потоковой подпиткой Астрономы отыскали первый затменный промежуточный поляр с потоковой подпиткой

Астрономы открыли промежуточный поляр с потоковой подпиткой белого карлика

N+1
Билл Гейтс посоветовал 5 книг на новогодние праздники Билл Гейтс посоветовал 5 книг на новогодние праздники

Традиционный список книг, рекомендованных к прочтению, от основателя Microsoft

Inc.
5 самых дорогих вещей из знаменитых научно-фантастических фильмов и сериалов 5 самых дорогих вещей из знаменитых научно-фантастических фильмов и сериалов

Самые дорогие кинематографические реликвии

Популярная механика
Без инстаграма не разберешься Без инстаграма не разберешься

«На близком расстоянии»: «Паразиты» по-русски

Weekend
Горный перевал: как Toyota Land Cruiser 300 справился с дорогами в Дагестане Горный перевал: как Toyota Land Cruiser 300 справился с дорогами в Дагестане

Toyota представила новую версию легендарного Land Cruiser с дизельным двигателем

Forbes
Жительница Аргентины полностью избавилась от ВИЧ без лечения — это второй известный случай в истории Жительница Аргентины полностью избавилась от ВИЧ без лечения — это второй известный случай в истории

Организм женщины по неизвестным причинам сам очистился от вируса ВИЧ

TJ
Внутри алмаза нашли неуловимый кристалл из нижней мантии Земли Внутри алмаза нашли неуловимый кристалл из нижней мантии Земли

Древний алмаз содержит невиданный ранее минерал, добытый из глубин Земли

National Geographic
Гепарды на продажу Гепарды на продажу

Как в Сомалиленде борются с вывозом детенышей больших кошек из Африки

National Geographic
Игра по памяти Игра по памяти

«Рука Бога» – обескураживающе откровенная автобиография Паоло Соррентино

Harper's Bazaar
Сьюки-любовь Сьюки-любовь

Сьюки Уотерхаус рассказала о том, как начала просто петь

Harper's Bazaar
Электронное рассеяние помогло найти изъяны в нейтринных моделях Электронное рассеяние помогло найти изъяны в нейтринных моделях

Физики проверили работоспособность моделей нейтрино-ядерного взаимодействия

N+1
6 способов правильно высушить обувь осенью и зимой 6 способов правильно высушить обувь осенью и зимой

Правильные способы привести обувь в порядок в период слякоти

Cosmopolitan
Женщина года: бремя первых Женщина года: бремя первых

Что будет, если в одной комнате окажутся сразу две женщины года?

Glamour
Как может работать «налог на миллиардеров», из-за которого Маск задумал продать 10% своих акций Tesla Как может работать «налог на миллиардеров», из-за которого Маск задумал продать 10% своих акций Tesla

Как миллиардеры в США пытаются обойти налоговый кодекс

VC.RU
Арендаторы хотят комфорта Арендаторы хотят комфорта

Всплеск цен на аренду жилья вызван отложенным спросом и сезонной активностью

Эксперт
Несбывшееся будущее: как NASA видело гражданскую авиацию в 2025 году Несбывшееся будущее: как NASA видело гражданскую авиацию в 2025 году

Как в 1996 году NASA видело будущее гражданских самолетов

Популярная механика
Как голуби находят дорогу домой Как голуби находят дорогу домой

Как голуби ориентируются в сложных и меняющихся ландшафтах?

Популярная механика
Виртуальная примерочная: зачем «Яндекс» запустил продажу одежды на маркетплейсе Виртуальная примерочная: зачем «Яндекс» запустил продажу одежды на маркетплейсе

Зачем сейчас инвестировать в моду и когда люкс бренды появятся на маркетплейсах

Forbes
Как выжить в тюрьме: советы звезд из-за решетки Как выжить в тюрьме: советы звезд из-за решетки

Рекомендации знаменитостей, оказавшихся за решеткой

Maxim
Доктор Лиза: о жизни, о смерти, о любви Доктор Лиза: о жизни, о смерти, о любви

Отрывки из личного дневника Елизаветы Глинки — о жизни и смерти, о любви

Cosmopolitan
Пингвин Адели преодолел 3000 километров и добрался из Антарктиды в Новую Зеландию Пингвин Адели преодолел 3000 километров и добрался из Антарктиды в Новую Зеландию

Пингвин Адели заблудился и отплыл на 3000 километров от дома

N+1
В 1951 году власти Дании забрали детей у коренных жителей, чтобы воспитать из них «гренландскую элиту». Дети выросли и требуют компенсации В 1951 году власти Дании забрали детей у коренных жителей, чтобы воспитать из них «гренландскую элиту». Дети выросли и требуют компенсации

Когда нужного количества не набралось детей просто забрали из семей инуитов

Esquire
Открыть в приложении