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

Цивилизация Цивилизация

Они одними из первых освоили инженерию, завели армию, монархию и дипломатию

Вокруг света
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
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Звёздный состав Звёздный состав

Двухуровневый лофт в Москве с креативным интерьером

SALON-Interior
Боятся, стесняются, не идут к врачу: что нужно знать про женский рак Боятся, стесняются, не идут к врачу: что нужно знать про женский рак

Часто женщины с онкологическими заболеваниями стесняются своей болезни

Cosmopolitan
Оксимирон против Гнойного: весь баттл в 20 цитатах Оксимирон против Гнойного: весь баттл в 20 цитатах

Самые броские цитаты из рэп-поединка Оксимирона и Славы КПСС

Esquire
Шимпанзе не понравился запах смерти Шимпанзе не понравился запах смерти

Шимпанзе продемонстрировали отвращение к путресцину

N+1
Война с астероидом: зачем NASA запустило зонд-камикадзе Война с астероидом: зачем NASA запустило зонд-камикадзе

Зачем NASA отправили зонд на самоубийственную миссию?

Forbes
Было, но не прошло: может ли бывший муж стать верным другом? Было, но не прошло: может ли бывший муж стать верным другом?

Если друг оказался вдруг... бывшим мужем, значит, у тебя все прекрасно!

Cosmopolitan
Не перейти черту Не перейти черту

Как научиться защищать свои личные границы

Лиза
Старение — это эволюционная ошибка. Ученые уверены, что его можно избежать Старение — это эволюционная ошибка. Ученые уверены, что его можно избежать

Старение — естественный процесс или ошибка?

Популярная механика
Кейс LASERWAR: как запустить производство игрушечных винтовок в Смоленске и наладить экспорт в 75 стран Кейс LASERWAR: как запустить производство игрушечных винтовок в Смоленске и наладить экспорт в 75 стран

Как братья изучили лазертаг от и до и открыли производство игровых винтовок

Inc.
Серая зона отказа: понимаем ли мы слово «нет» Серая зона отказа: понимаем ли мы слово «нет»

Исследование продемонстрировало неоднозначное отношение мужчин к отказу

СНОБ
Быть Стрельцом — это… 10 вещей, которые поймет только этот знак Быть Стрельцом — это… 10 вещей, которые поймет только этот знак

Поскольку сейчас на дворе сезон Стрельцов, поговорим именно о них

Cosmopolitan
Российские ученые создали ускоренный метод оценки деградации материала для авиации Российские ученые создали ускоренный метод оценки деградации материала для авиации

Ученые разработали метод, позволяющий бороться с усталостью материала в авиации

Популярная механика
5 мест, куда можно с пользой сдать старые вещи 5 мест, куда можно с пользой сдать старые вещи

Куда сдать свою старую одежду с пользой для себя и других людей

GQ
Цветной бархат, уютные шарфы и очень много вельветовых костюмов: из чего состоит гардероб Уэса Андерсона Цветной бархат, уютные шарфы и очень много вельветовых костюмов: из чего состоит гардероб Уэса Андерсона

Главные элементы персонального стиля режиссера Уэса Андерсона

Esquire
Спектр масс черных дыр объяснили расширением Вселенной Спектр масс черных дыр объяснили расширением Вселенной

Рост массы черных дыр позволяет согласовать данные наблюдений с теорией

N+1
Главный по тарелочкам: почему Санкт-Петербург называют гастрономической столицей Главный по тарелочкам: почему Санкт-Петербург называют гастрономической столицей

Какой город можно считать важнейшим для ресторанной индустрии в стране

Forbes
Вы задумывались о том, что доступ к общественным туалетам — благо, недоступное половине населения Земли? Вопрос дня Вы задумывались о том, что доступ к общественным туалетам — благо, недоступное половине населения Земли? Вопрос дня

Кого волнуют туалеты? Каждого второго жителя Земли, у которого нет к ним доступа

СНОБ
Государства для тестирования хакерских атак: для кого строят киберполигоны Государства для тестирования хакерских атак: для кого строят киберполигоны

Киберполигоны — средство узнать, какой ущерб компании может нанести кибератака

Популярная механика
То смех, то слезы: как общаться с экзальтированными людьми То смех, то слезы: как общаться с экзальтированными людьми

Что значит экзальтированный человек и как с ним быть?

РБК
Куда уходят наши налоги Куда уходят наши налоги

Что скрывается за словом «федерация» и как это сказывается на налоговой системе

СНОБ
Спроси VC: почему стартапу не нужна свободная конкуренция Спроси VC: почему стартапу не нужна свободная конкуренция

Почему стартапу важно занимать доминирующее положение в важных для бизнеса нишах

Forbes
Нет неправильных эмоций: как поддержать человека, у которого рак Нет неправильных эмоций: как поддержать человека, у которого рак

С какими эмоциями сталкивается онкобольной и как его поддержать?

Cosmopolitan
На отдых в офлайн: 8 сервисов по избавлению от интернет-зависимости На отдых в офлайн: 8 сервисов по избавлению от интернет-зависимости

Приложения для смартфонов, которые помогают реже пользоваться смартфонами

РБК
Видеодрайвер перестал отвечать и был восстановлен: как исправить эту ошибку Видеодрайвер перестал отвечать и был восстановлен: как исправить эту ошибку

Почему возникает ошибка «Видеодрайвер перестал отвечать и был восстановлен»

CHIP
YouTube-шоу, мерч и квесты: кто заработал на хайпе вокруг «Игры в кальмара» YouTube-шоу, мерч и квесты: кто заработал на хайпе вокруг «Игры в кальмара»

Сколько предприниматели и блогеры заработали на «Игре в кальмара»

Forbes
Настоящая фея-крестная: главная спасительница по знаку зодиака - кто она? Настоящая фея-крестная: главная спасительница по знаку зодиака - кто она?

Кто из знаков зодиака готов всю себя положить, чтобы помочь другим

Cosmopolitan
Эмоции мешают думать: чему можно научиться у Майкла Корлеоне Эмоции мешают думать: чему можно научиться у Майкла Корлеоне

Чему можно научиться у мафиози Майкла Корлеоне

Esquire
Открыть в приложении