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

Убеждать, творить, понимать: как развить карьерные навыки 2020 года Убеждать, творить, понимать: как развить карьерные навыки 2020 года

Список самых востребованных навыков 2020 года — гибких и технических

РБК
«Ребенку, а не ей»: что не так с предложением контролировать расход алиментов «Ребенку, а не ей»: что не так с предложением контролировать расход алиментов

Почему идея контроля алиментов придумана совсем не для блага детей?

Cosmopolitan
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
«Прошлой ночью в Сохо»: коктейль из «Полночи в Париже» и «Неонового демона» «Прошлой ночью в Сохо»: коктейль из «Полночи в Париже» и «Неонового демона»

Стоит ли смотреть ностальгический джалло-хоррор от Эдгара Райта

Cosmopolitan
10 самых крутых и необычных экспонатов автомобильного музея Лейна 10 самых крутых и необычных экспонатов автомобильного музея Лейна

Один из самых крутых автомобильных музеев в Теннесси

ТехИнсайдер
Доминируй, подчиняйся. Что люди ищут и находят в БДСМ-практиках Доминируй, подчиняйся. Что люди ищут и находят в БДСМ-практиках

Как на самом деле доминирование и подчинение помогают избавиться от травм

СНОБ
«Я не должна была рождаться». Девушка подала иск против гинеколога своей матери «Я не должна была рождаться». Девушка подала иск против гинеколога своей матери

Иви Тумбс из Скегнесса, Линкольншир, подала в суд на гинеколога своей матери

Cosmopolitan
5 органов в нашем теле, без которых можно обойтись 5 органов в нашем теле, без которых можно обойтись

Есть ли в человеческом теле ненужные органы?

Cosmopolitan
Все итоги хороши Все итоги хороши

Как научиться ценить разные результаты?

Домашний Очаг
Из предпринимателя в инвесторы: как вложить первый $1 млн и сделать правильные выводы Из предпринимателя в инвесторы: как вложить первый $1 млн и сделать правильные выводы

Венчурные инвестиции — способ расширить свои предпринимательские навыки

Forbes
Умники и умницы: 9 сериалов для настоящих интеллектуалов Умники и умницы: 9 сериалов для настоящих интеллектуалов

Презираешь сериалы, считая их пустой тратой времени и глупым развлечением?

Cosmopolitan
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
«Уходя — уходи»: как отпустить тех, кого мы любили «Уходя — уходи»: как отпустить тех, кого мы любили

Почему так сложно пережить расставание?

Psychologies
Видимо-невидимо Видимо-невидимо

Сьюки Уотерхаус примеряет украшения и выбирает, какую роль сыграть сегодня

Harper's Bazaar
Мистическая Москва: 5 самых таинственных и пугающих легенд о столице Мистическая Москва: 5 самых таинственных и пугающих легенд о столице

Пугающие истории Москвы

Playboy
Как родительские запреты могут портить нам жизнь Как родительские запреты могут портить нам жизнь

Бывает, человек вырос в хорошей семье, но его взрослая жизнь летит под откос

Psychologies
Как токсичная гарь ДВС превращается в запах фиалок Как токсичная гарь ДВС превращается в запах фиалок

Разбираемся в машинерии, которая превращает токсичные выхлопы ДВС в запах фиалок

Популярная механика
8 вещей, которые нельзя делать после 30-ти 8 вещей, которые нельзя делать после 30-ти

Прочитай, что не стоит делать мужчине, вступающему в самый расцвет сил

Maxim
Стратостат услышал инфразвук от подземного взрыва Стратостат услышал инфразвук от подземного взрыва

Инфразвук проще засечь из стратосферы, чем с поверхности Земли

N+1
Бурак Озчивит и Фахрие Эвджен: совместимость звездной пары разбирает астролог Бурак Озчивит и Фахрие Эвджен: совместимость звездной пары разбирает астролог

Бурак и Фахрие - одни из самых популярных актеров турецких сериалов

Cosmopolitan
Стесняюсь спросить: что такое джиротоник и зачем его практиковать? Стесняюсь спросить: что такое джиротоник и зачем его практиковать?

Загадочный термин «джиротоник» нечасто услышишь даже в кругах продвинутых людей

Esquire
Что такое отношения «с задней конфорки» и почему не стоит в них ввязываться Что такое отношения «с задней конфорки» и почему не стоит в них ввязываться

В современных отношениях появился интересный феномен — «задняя конфорка»

Maxim
На моем запястье ice: краткая история любви рэперов к ювелирным украшениям На моем запястье ice: краткая история любви рэперов к ювелирным украшениям

Когда у рэперов возникла страсть к дорогим (и зачастую вычурным) драгоценностям

Esquire
Первая помощь при инсульте: что делать до приезда скорой Первая помощь при инсульте: что делать до приезда скорой

Подробный гид по оказанию первой помощи при инсульте

РБК
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
8 необычных мужских эрогенных зон 8 необычных мужских эрогенных зон

Рассказываем о чувствительных зонах мужчин

Psychologies
Менструация и другие «запретные» темы: зачем говорить о них открыто? Менструация и другие «запретные» темы: зачем говорить о них открыто?

Почему женщин часто вынуждают оправдываться за физиологические процессы?

Psychologies
Рассказ из сборника «Сибирь: счастье за горами» Рассказ из сборника «Сибирь: счастье за горами»

Отрывок из сборника рассказов, посвященных Сибири

СНОБ
«Нужно не бороться, а жить»: онколог о борьбе с раком и партнерском подходе к лечению «Нужно не бороться, а жить»: онколог о борьбе с раком и партнерском подходе к лечению

Онколог — о том, чем западные стандарты лечения отличаются от российских

Forbes
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.
Открыть в приложении