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

Откуда взялось публичное клише о человеческом факторе как виновнике аварий Откуда взялось публичное клише о человеческом факторе как виновнике аварий

На чем основано мнение о том, что человек виновен в большинстве аварий?

Популярная механика
Пластический хирург Тимур Хайдаров — Forbes: «Покажи, что ты гений» Пластический хирург Тимур Хайдаров — Forbes: «Покажи, что ты гений»

Пластический хирург — как выделиться из толпы в условиях жесткой конкуренции

Forbes
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
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
Город In Folio Город In Folio

Петербург из тех мест, что лишний раз опиши – от него не убудет

Вокруг света
Личный опыт: как запустить пиццерию в Великобритании и не потеряться среди гигантов Личный опыт: как запустить пиццерию в Великобритании и не потеряться среди гигантов

Уроки «Додо» из экспансии на перенасыщенный пиццериями рынок Великобритании

Inc.
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
Мастопатии не существует: вся правда о популярном диагнозе — рассказывает врач Мастопатии не существует: вся правда о популярном диагнозе — рассказывает врач

Мастопатия: так ли она страшна на самом деле?

Cosmopolitan
Цифровой этикет, текстовый блокчейн и соцсети в политике: новые навыки для работы в интернетее Цифровой этикет, текстовый блокчейн и соцсети в политике: новые навыки для работы в интернетее

5 книг о том, как ориентироваться в современном цифровом пространстве

Популярная механика
Физики запутали поляризацию и пространственную структуру разных фотонов Физики запутали поляризацию и пространственную структуру разных фотонов

Авторы доказали наличие запутанности фотонов, проведя томографию состояний

N+1
Свойства квантового гало предложили исследовать бомбардировкой Свойства квантового гало предложили исследовать бомбардировкой

Физики показали возможность исследования свойств квантового гало в димере гелия

N+1
«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
От «зеленого» винта: к чему приведет обсуждение экологической повестки в авиации От «зеленого» винта: к чему приведет обсуждение экологической повестки в авиации

Почему авиация почти не задействована в экологической повестке?

Forbes
Как алкоголь, уединение и чтение помогают найти гениальное решение и войти в поток Как алкоголь, уединение и чтение помогают найти гениальное решение и войти в поток

Как нейронаука помогает добиваться продуктивности в бизнесе, спорте и жизни

Forbes
Археологи нашли на Дону серебряную накладку с изображениями скифских богов Археологи нашли на Дону серебряную накладку с изображениями скифских богов

Ученые обнаружили изображения богов в скифском погребении IV века до нашей эры

N+1
Мой ласковый и нежный сталкер: история женщины, для которой преследователь стал единственным родным человеком Мой ласковый и нежный сталкер: история женщины, для которой преследователь стал единственным родным человеком

Историю девушки, которая искала смысл жизни, а нашла телефонного маньяка

Esquire
Спектроскопия помогла недеструктивно измерить красноту мякоти яблок Спектроскопия помогла недеструктивно измерить красноту мякоти яблок

Спектроскопия поможет повысить эффективность их сортировки

N+1
Шум катеров с бензиновыми двигателями помешал матерям-гриндам отдыхать и кормить детенышей Шум катеров с бензиновыми двигателями помешал матерям-гриндам отдыхать и кормить детенышей

Как катера с бензиновыми двигателями влияют на гринд

N+1
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
Кто первым узнал, что вы сделали прошлым летом Кто первым узнал, что вы сделали прошлым летом

Судьба создательницы первых подростковых триллеров и ее главного романа

Weekend
«Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы? «Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы?

Как часто дружба перерастает в любовь в реальной жизни

Psychologies
Археологи нашли в Синьцзяне древнейшие кожаные доспехи Евразии Археологи нашли в Синьцзяне древнейшие кожаные доспехи Евразии

Древнейшие доспехи Евразии изготовили не позднее VI века до нашей эры

N+1
10 предметов из фильмов и сериалов, которые останавливали пулю 10 предметов из фильмов и сериалов, которые останавливали пулю

Или что такое «карманный защитник» и как его эксплуатирует кинематограф

Maxim
Гвоздь, или Еще одна загадка человеческого мозга Гвоздь, или Еще одна загадка человеческого мозга

Жизнь Леши разделилась на до и после того, как ему исполнилось пять лет

СНОБ
Развод, потеря веса и отношения с отцом-алкоголиком: певица Адель дала интервью Опре Развод, потеря веса и отношения с отцом-алкоголиком: певица Адель дала интервью Опре

Американская телеведущая Опра Уинфри взяла интервью у Адель

Forbes
Жуткие факты о лучших странах мира Жуткие факты о лучших странах мира

Подумай дважды перед эмиграцией в бездуховную заграницу

Maxim
10 фактов о космическом мусоре 10 фактов о космическом мусоре

Факты о космическом мусоре, которые всерьёз обсуждаются в космических кругах

Популярная механика
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
Минное поле: как говорить с партнерами о своих бывших и стоит ли? Минное поле: как говорить с партнерами о своих бывших и стоит ли?

Кто как относится к своим романам из прошлого?

Cosmopolitan
Как два выпускника Бауманки построили компанию на полмиллиарда и продали ее «Сберу» Как два выпускника Бауманки построили компанию на полмиллиарда и продали ее «Сберу»

Как Валишев и Иванниковы придумали онлайн-чаты Jivo

Forbes
Открыть в приложении