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

Дышать и двигаться: как связаны тело и эмоции Дышать и двигаться: как связаны тело и эмоции

Эмоции – это еще и телесные переживания, заключенные в какой-то части тела

Домашний Очаг
Как заплатить фрилансеру: десять сервисов Как заплатить фрилансеру: десять сервисов

Как можно упростить работу с фрилансерами, хоть и не бесплатно

VC.RU
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Марина Хлебникова в коме: череда бед, которые привели артистку к краху Марина Хлебникова в коме: череда бед, которые привели артистку к краху

Беды, разочарования и печальные события, которые свалились на Марину Хлебникову

Cosmopolitan
Какая вода лучше всего подходит для ДНК: новое исследование Какая вода лучше всего подходит для ДНК: новое исследование

Ученые сравнили распределение натрия и калия в разных растворах вокруг ДНК

Популярная механика
«Он — лучший клиент». Проститутка рассказала о связи с мужчиной, больным ДЦП «Он — лучший клиент». Проститутка рассказала о связи с мужчиной, больным ДЦП

История Олив и Гэвина, открывших свой канал в ТикТоке об интимных практиках

Cosmopolitan
Костюм VS платье — модная битва Cosmo: выбирай, какой стиль идет звездам больше Костюм VS платье — модная битва Cosmo: выбирай, какой стиль идет звездам больше

Сравниваем образы звезд в костюмах и вечерних платьях

Cosmopolitan
Когда наш эротический сон — не про секс? Когда наш эротический сон — не про секс?

Наши героини рассказали о своих эротических снах, а сексолог их проанализировала

Psychologies
Источники питания Источники питания

Что такое ресурс, зачем он нужен и как соотносится с заботой о себе?

Glamour
Основатель сервиса такси inDriver Арсен Томский: Мы — поджарые ниндзя в стане пухлых хипстеров Основатель сервиса такси inDriver Арсен Томский: Мы — поджарые ниндзя в стане пухлых хипстеров

Арсен Томский — предприниматель, который построил конкурента Uber и Gett

Inc.
«Узнала, что у меня меланома 4 стадии»: как я победила неизлечимый рак «Узнала, что у меня меланома 4 стадии»: как я победила неизлечимый рак

Рак кожи, меланома — всегда приговор?

Cosmopolitan
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.
Здоровый подход Здоровый подход

Что помогло «Медси» стать лидером среди медицинских сетей

РБК
Арам Мнацаканов, Артём Дзюба Арам Мнацаканов, Артём Дзюба

Арам Мнацаканов и Артём Дзюба разыграли блестящую комбинацию

Собака.ru
Включили цвет Включили цвет

Жители этих районов в разных уголках мира не знают, что такое серые будни

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

Как поправился и похудел Харламов

Cosmopolitan
Секс во славу богов: невероятная история храмовой проституции Секс во славу богов: невероятная история храмовой проституции

Как проституция превратилась из священного ритуала в позорное ремесло?

Maxim
«Папа, твое равнодушие помогло мне стать счастливой»: признание дочери «Папа, твое равнодушие помогло мне стать счастливой»: признание дочери

Как отсутствие близости с отцом помогло нашей героине построить свою жизнь

Psychologies
Виргинский опоссум Виргинский опоссум

Подкупить опоссума можно только уважением, терпением и любовью. И едой, конечно

Weekend
Использованные шины оказались смертельной ловушкой для раков-отшельников Использованные шины оказались смертельной ловушкой для раков-отшельников

Забравшись в выброшенные в океан шины, раки больше не могут оттуда выбраться

N+1
Продаёт на сотни миллионов долларов и занимает треть рынка настольных игр: почему «Монополия» стала популярной Продаёт на сотни миллионов долларов и занимает треть рынка настольных игр: почему «Монополия» стала популярной

История «Монополии»: как настольная игра покорила сердца миллионов

VC.RU
Надпись support.apple.com/iphone/restore на экране iPhone: что случилось и что делать? Надпись support.apple.com/iphone/restore на экране iPhone: что случилось и что делать?

Support.apple.com/iphone/restore — читайте, что она означает и как все починить

CHIP
Кислотность среды повлияла на дисперсность сополимеров Кислотность среды повлияла на дисперсность сополимеров

Дисперсность целевого полимера уменьшается при добавлении кислоты

N+1
Документы сгорели, а главный свидетель выпал из вертолёта: золотодобыча, которая стоила акционерам $3 млрд Документы сгорели, а главный свидетель выпал из вертолёта: золотодобыча, которая стоила акционерам $3 млрд

Проект разработки золотого месторождения Bre-X оказался мошенничеством

VC.RU
Что происходит с организмом во время беременности Что происходит с организмом во время беременности

Как женский организм перестраивается во время беременности?

Популярная механика
Коварные легинсы! Самые смешные фото звезд в лосинах — от Шейк до Кардашьян Коварные легинсы! Самые смешные фото звезд в лосинах — от Шейк до Кардашьян

Легинсы — один из самых коварных предметов женского гардероба

VOICE
15 отличных южнокорейских сериалов, которые нужно смотреть 15 отличных южнокорейских сериалов, которые нужно смотреть

Южнокорейские дорамы, которые не уступают знаменитым сериалам

Esquire
10 вещей, которые хочет услышать во время секса каждая девушка 10 вещей, которые хочет услышать во время секса каждая девушка

Слова — мощный афродизиак

Playboy
Похоже, мы недооценили первую в истории вспышку чумной пандемии Похоже, мы недооценили первую в истории вспышку чумной пандемии

Последствия чумы были более серьезным, чем предполагали ранние исследования

Популярная механика
Боги, люди и поганки Боги, люди и поганки

Грибы занимают уникальное место не только в биосфере, но и в истории цивилизации

Вокруг света
Открыть в приложении