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

6 шагов к развитию эмоционального интеллекта 6 шагов к развитию эмоционального интеллекта

Как научиться понимать других – и как сделать так, чтобы они лучше понимали нас

Psychologies
Арслан Бердиев Арслан Бердиев

Шеф-повар Арслан Бердиев — главная сенсация Петербурга

Собака.ru
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Активно-реактивные снаряды: как это работает Активно-реактивные снаряды: как это работает

Колыбелью практически всех военных технологий стала Вторая мировая война

Популярная механика
Эмоции мешают думать: чему можно научиться у Майкла Корлеоне Эмоции мешают думать: чему можно научиться у Майкла Корлеоне

Чему можно научиться у мафиози Корлеоне

Правила жизни
Праздник каждый день Праздник каждый день

Как развлечь ребенка (и себя заодно) перед Новым годом?

Cosmopolitan
21 песня, которая поможет тебе притвориться интеллектуалом 21 песня, которая поможет тебе притвориться интеллектуалом

Обязательно заводи эти песни своим девушкам и работодателям

Maxim
Быть шаолиньским монахом: почему рынок приложений для медитации переживает бум Быть шаолиньским монахом: почему рынок приложений для медитации переживает бум

С чем связан бум приложений для медитации?

Forbes
«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
Когда мы будем летать на аэротакси, как Брюс Уиллис в Когда мы будем летать на аэротакси, как Брюс Уиллис в

Какое аэротакси ожидает нас в ближайшем будущем?

Популярная механика
Сиенские супруги Сиенские супруги

Джанноддза Сарачени и Мариотто Миньянелли жили и друг друга любили в Сиене

Наука и жизнь
Как правильно наносить термопасту на процессор? Как правильно наносить термопасту на процессор?

Некоторые нюансы при замене термопасты на процессоре

CHIP
Лифт для корабля: как работают судоподъёмники Лифт для корабля: как работают судоподъёмники

Как и когда люди придумали судоподъемники?

Популярная механика
Морковка для ослика: как научиться себя мотивировать Морковка для ослика: как научиться себя мотивировать

Знаете притчу про морковку и ослика? Помните, чем закончилась?

Psychologies
Социальный заказ Социальный заказ

Две студентки МИФИ превратили увлечение волонтерством в ESG-агентство You Social

Forbes
Держим спину Держим спину

Что влияет на осанку и как о ней правильно заботиться

Лиза
Бегущий по лезвию Бегущий по лезвию

История уникального человека по имени Джон Макафи

Playboy
6 способов побороть осенне-зимнюю хандру 6 способов побороть осенне-зимнюю хандру

Как бороться с упадком сил зимой?

Playboy
8 занимательных физических опытов для школьников: как полюбить науку 8 занимательных физических опытов для школьников: как полюбить науку

Первые уроки химии, физики — и первые научные шалости

Популярная механика
«Французский вестник»: ода журналистике от Уэса Андерсона «Французский вестник»: ода журналистике от Уэса Андерсона

«Французский вестник» создает необыкновенное настроение ностальгии

GQ
«Hot Wheels словно акции»: коллекционеры тратят десятки тысяч долларов, чтобы купить всего одну игрушечную машинку «Hot Wheels словно акции»: коллекционеры тратят десятки тысяч долларов, чтобы купить всего одну игрушечную машинку

Чья коллекция Hot Wheels вошла в «Книгу рекордов Гиннесса»?

VC.RU
В 4000-тысячелетней гробнице под храмом Хатшепсут нашли коллекцию ритуальных предметов В 4000-тысячелетней гробнице под храмом Хатшепсут нашли коллекцию ритуальных предметов

Жрецы храма фараона-женщины использовали древнюю усыпальницу как тайник

N+1
Экстремальная гелиевая звезда оказалась необычной богатой гелием звездой Экстремальная гелиевая звезда оказалась необычной богатой гелием звездой

Астрономы переопределили свойства звезды HD 144941

N+1
Мария Куликова: «Никто никогда не узнает обо мне всей правды» Мария Куликова: «Никто никогда не узнает обо мне всей правды»

Мы постоянно меняемся: то открыты для внешнего мира, то, наоборот, закрываемся

Караван историй
О сложностях материнства, романе с Гарри и не только: новое интервью Меган Маркл О сложностях материнства, романе с Гарри и не только: новое интервью Меган Маркл

Меган Маркл пришла в студию к Эллен Дедженерес

Cosmopolitan
Курс на Италию Курс на Италию

Галина Зернова о жизни в ПНИ и за его пределами

ПУСК
Волнистые астрильды с ярко-красной грудью обошли сородичей по социальному статусу Волнистые астрильды с ярко-красной грудью обошли сородичей по социальному статусу

Волнистые астрильды занимают в иерархии место, соответствующее их расцветке

N+1
Оно тебе НАDО (но это не точно) Оно тебе НАDО (но это не точно)

Самые необычные сексшоп-тренды

Playboy
Белые совы впервые добрались до Испании Белые совы впервые добрались до Испании

Белые совы склонны к далеким путешествиям

N+1
Умница, болтун и мямля: всё о знаках зодиака стихии Воздуха Умница, болтун и мямля: всё о знаках зодиака стихии Воздуха

Сегодня поговорим о знаках стихии Воздуха

Cosmopolitan
Открыть в приложении