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

Телесно-ориентированная психотерапия: что это, как работает, где обучают Телесно-ориентированная психотерапия: что это, как работает, где обучают

Все самое важное о телесно-ориентированной психотерапии — в этом материале

РБК
Что смотреть после «Игры в кальмара» Что смотреть после «Игры в кальмара»

Пока не вышел второй сезон «Игры в кальмара», можно найти близкие по духу шоу

Weekend
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Все фильмы Уэса Андерсона — от худшего к лучшему Все фильмы Уэса Андерсона — от худшего к лучшему

Фильмы Уэса Андерсона: от наименее эмоционального — к самому пронзительному

Esquire
Дэя: «Эстрада - сказка, в которой мне всегда хотелось жить» Дэя: «Эстрада - сказка, в которой мне всегда хотелось жить»

Родители, заметив мою способность, подумали: из нее точно получится певица

Караван историй
Сколько на самом деле у эскимосов слов для обозначения снега? Сколько на самом деле у эскимосов слов для обозначения снега?

Чем необычны языки полярных народов?

Популярная механика
Как нам делали голову: что такое череп и как он сформировался Как нам делали голову: что такое череп и как он сформировался

Голову эволюция творила сотни миллионов лет.

Популярная механика
Cмола, воск, латекс, полимеры: что жевали люди с древних времен и до наших дней Cмола, воск, латекс, полимеры: что жевали люди с древних времен и до наших дней

Первые «жвачки» существовали еще в древние времена

Популярная механика
Избавиться от стресса: что такое энергетический детокс? Избавиться от стресса: что такое энергетический детокс?

Как сбросить энергетический мусор и настроиться на позитивную волну

Psychologies
Сыр с одной шутки: история семейной сыроварни «Папа-сыровар» Сыр с одной шутки: история семейной сыроварни «Папа-сыровар»

Основатели «Папа-сыровар» — о недоверии поставщиков и поиске нужного молока

Inc.
Веселые кошки: 5 смешных историй о питомцах Веселые кошки: 5 смешных историй о питомцах

Владельцы рассказали о самых забавных историях с их питомцами

Playboy
Физики измерили волновые функции свободных дырок Физики измерили волновые функции свободных дырок

Физики исследовали поляризационные свойства компонент высшего порядка

N+1
От «Лила Чакра» до «Правда или действие»: 10 игр для нескучных вечеров От «Лила Чакра» до «Правда или действие»: 10 игр для нескучных вечеров

Обещай, что отлично повеселишься!

Playboy
Ольга Смирнова Ольга Смирнова

Ольга Смирнова разработала скрининг, который может спасти жизни тысяч россиянок

Собака.ru
Физики предложили искать энионы по создаваемому ими тепловому току Физики предложили искать энионы по создаваемому ими тепловому току

Физики нашли новый метод изучения квантовой статистики квазичастиц в материалах

N+1
Мадонна, Деми Мур, Шер: как старели бы звезды без пластической хирургии Мадонна, Деми Мур, Шер: как старели бы звезды без пластической хирургии

Как выглядели бы звезды, если бы предпочли держаться подальше от хирургов

Cosmopolitan
Искусство невсерьез: зачем смотреть «Официальный конкурс», комедию с Антонио Бандерасом и Пенелопой Крус Искусство невсерьез: зачем смотреть «Официальный конкурс», комедию с Антонио Бандерасом и Пенелопой Крус

«Официальный конкурс» — как проходит грань между жанровым кино и искусством?

Esquire
«Сом»: как русская подлодка затонула в Швеции «Сом»: как русская подлодка затонула в Швеции

На глубине действительно лежали останки российской подлодки «СОМЪ»

Популярная механика
4 способа извлечь максимальную пользу из онлайн-курсов 4 способа извлечь максимальную пользу из онлайн-курсов

Как не потратить деньги просто так на онлайн-курсы?

Inc.
Поздравляю, коллеги! Поздравляю, коллеги!

Корпоратив – это отличная возможность весело провести время и… натворить дел

Cosmopolitan
Истребители танков на Донбассе. Из Америки — с любовью Истребители танков на Донбассе. Из Америки — с любовью

Так ли страшен противотанковый ракетный комплекс FGM-148 Javelin?

Maxim
Никогда не курила и заболела раком легкого: как я победила болезнь и выздоровела Никогда не курила и заболела раком легкого: как я победила болезнь и выздоровела

Иногда опухоль появляется в легких человека, который ведет здоровый образ жизни

Cosmopolitan
Сомерсет Моэм Сомерсет Моэм

Английский писатель и агент разведки Сомерсет Моэм

Дилетант
Красавица и олигарх: 7 пар с большой разницей в возрасте Красавица и олигарх: 7 пар с большой разницей в возрасте

Олигархи, которые связали свою жизнь с юными красавицами

Cosmopolitan
Барыня из «Муму»: почему мать Тургенева ненавидели все, включая сына Барыня из «Муму»: почему мать Тургенева ненавидели все, включая сына

Сказка про Золушку, в которой хеппи-энда не получилось

Cosmopolitan
Стрельба по орбите: зачем Россия сбила советский спутник Стрельба по орбите: зачем Россия сбила советский спутник

Россия продемонстрировала свои возможности сбивать спутники на низкой орбите

Forbes
6 качеств, за которые тебя все возненавидят: избавься от них немедленно! 6 качеств, за которые тебя все возненавидят: избавься от них немедленно!

Если найдешь у себя одно из этих качеств характера, знай: оно всех раздражает

Cosmopolitan
Как работают бионические протезы Как работают бионические протезы

Ученые смогли присоединить механическую руку к человеческой нервной системе

Популярная механика
Повелители стиля: история архитектора Евгения Коблова Повелители стиля: история архитектора Евгения Коблова

Почему сейчас дизайн квартир больше, чем просто смена обстановки

Cosmopolitan
5 самых кровавых революций в истории 5 самых кровавых революций в истории

Сколько стоит революция?

Maxim
Открыть в приложении