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

Что нужно успеть женщине до 30 лет? Что нужно успеть женщине до 30 лет?

У общества к современным женщинам вполне конкретные требования

Psychologies
Электромобиль для зумеров: WayRay Holograktor Электромобиль для зумеров: WayRay Holograktor

WayRay представила первый в мире электромобиль с голографическим AR-остеклением

Популярная механика
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Эмили Ратаковски выпустила книгу Эмили Ратаковски выпустила книгу

Интервью с Эмили Ратаковски в преддверии выхода ее книги "Мое тело"

Esquire
Учусь на предпринимателя: какие компетенции нужны современному бизнесмену Учусь на предпринимателя: какие компетенции нужны современному бизнесмену

Василий Алексеев рассуждает, почему современным бизнесменам нужно учиться

Inc.
Meet the Romanoffs Meet the Romanoffs

Великий князь Георгий Михайлович и Виктория Романовна Беттарини

Собака.ru
Видимо-невидимо Видимо-невидимо

Сьюки Уотерхаус примеряет украшения и выбирает, какую роль сыграть сегодня

Harper's Bazaar
Почему кошек в древности считали магическими животными? Почему кошек в древности считали магическими животными?

Почему именно кошки не оставляют людей равнодушными?

Cosmopolitan
6 способов побороть осенне-зимнюю хандру 6 способов побороть осенне-зимнюю хандру

Как бороться с упадком сил зимой?

Playboy
Холодная космическая футурология: что почитать у писателя-астрофизика Аластера Рейнольдса Холодная космическая футурология: что почитать у писателя-астрофизика Аластера Рейнольдса

Рассказываем, на какие произведения Аластера Рейнольдса стоит обратить внимание

Популярная механика
Ресторатор Алексей Буров — о проекте Smoke BBQ и формате fine casual Ресторатор Алексей Буров — о проекте Smoke BBQ и формате fine casual

Интервью с шефом Алексеем Буровым, автором книги «Smoke BBQ: кухня живого огня»

РБК
Рассеянный склероз: причины, симптомы, лечение Рассеянный склероз: причины, симптомы, лечение

Что такое рассеянный склероз и можно ли его вылечить

РБК
Лорис-Меликовы Лорис-Меликовы

Михаил Тариэлович мог изменить судьбу России, но ему помешало убийство царя

Дилетант
Как собрать вокруг себя карьерных единомышленников Как собрать вокруг себя карьерных единомышленников

Как собрать вокруг себя крепкую и эффективную команду?

GQ
7 советов на каждый день, чтобы справиться с тревогой и стрессом 7 советов на каждый день, чтобы справиться с тревогой и стрессом

Семь способах помочь себе справиться с тревожным расстройством

Популярная механика
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
Магнитным частицам во внутреннем ухе голубей отказали в роли магниторецепторов Магнитным частицам во внутреннем ухе голубей отказали в роли магниторецепторов

Биофизики выяснили, что кутикулосомы не участвуют в механизме магнитной рецепции

N+1
Расположение рожек на головах гадюк связали со средой обитания Расположение рожек на головах гадюк связали со средой обитания

Расположение рожек на головах гадюковых змей зависит от среды их обитания

N+1
Как новая Как новая

Премированные косметические процедуры были проверены редакцией

Glamour
Журналисты Washington Post провели расследование выступления Трэвиса Скотта. Они пришли к выводу, что к трагедии привели ошибки организаторов Журналисты Washington Post провели расследование выступления Трэвиса Скотта. Они пришли к выводу, что к трагедии привели ошибки организаторов

Расследование трагедии на выступлении Трэвиса Скотта, где погибли 10 человек

Esquire
Ресурсы человека: что это такое и как их восполнить Ресурсы человека: что это такое и как их восполнить

Что такое внутренние ресурсы, помогающие нам оставаться полными сил и энергии

Cosmopolitan
Моменты из любимых советских фильмов, непонятные новому поколению Моменты из любимых советских фильмов, непонятные новому поколению

Реалии жизни из классики кино, которые понятны только людям, рожденным в СССР

Maxim
«Что в чемоданах — неизвестно»: как работает Unclaimed Baggage из США, который продаёт потерянный в аэропорту багаж «Что в чемоданах — неизвестно»: как работает Unclaimed Baggage из США, который продаёт потерянный в аэропорту багаж

Unclaimed Baggage — магазин, перепродающий вещи из невостребованного багажа

VC.RU
Как улучшить свою жизнь за 10 дней Как улучшить свою жизнь за 10 дней

Вот что можно успеть сделать для формирования привычки уже за десять дней

Psychologies
Как «рай для удаленщиков и стартаперов» стал проблемой для жителей Гондураса Как «рай для удаленщиков и стартаперов» стал проблемой для жителей Гондураса

Частный город Проспера столкнулся с протестами местных жителей

Forbes
Не рыба, но удочка Не рыба, но удочка

Ирина Ладыгина об особых студентах «Большой перемены»

ПУСК
Это Элви Рэй Смит: он мечтал создать анимационный фильм на компьютере, соосновал Pixar, но ушёл из компании из-за Джобса Это Элви Рэй Смит: он мечтал создать анимационный фильм на компьютере, соосновал Pixar, но ушёл из компании из-за Джобса

Элви Рэй Смит убеждал всех, что за компьютерной графикой будущее

VC.RU
Режиссер года: Кира Коваленко Режиссер года: Кира Коваленко

Кинокритик объясняет, почему фильм «Разжимая кулаки» вызвал такой ажиотаж

Glamour
Корейский сериал «Зов ада»: о чем это, стоит ли смотреть и правда ли, что он лучше «Игры в кальмара» Корейский сериал «Зов ада»: о чем это, стоит ли смотреть и правда ли, что он лучше «Игры в кальмара»

Еще один корейский сериал «Зов ада». Он правда лучше, чем «Игра в кальмара»?

Maxim
«Костик»: от К. С. до К. Ю. Постановка «Чайки» Дмитрия Крымова «Костик»: от К. С. до К. Ю. Постановка «Чайки» Дмитрия Крымова

Самый чеховский спектакль на российской сцене

СНОБ
Открыть в приложении