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

7 обычных продуктов, которые могут серьезно навредить 7 обычных продуктов, которые могут серьезно навредить

Какие из спутников обыденной жизни могут представлять серьезную опасность

Популярная механика
Николай Цискаридзе: те, кого он любил Николай Цискаридзе: те, кого он любил

Николай Цискаридзе — талант, влюбленность в искусство и бойцовский характер

СНОБ
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Лучшие игрушки в СССР — железные дороги и модели из ГДР Лучшие игрушки в СССР — железные дороги и модели из ГДР

Рассказываем, на что спускали все деньги советские мальчики

Maxim
Дела сердечные: какой пульс считается нормой и когда обращаться к врачу Дела сердечные: какой пульс считается нормой и когда обращаться к врачу

Разбираемся какая частота сердечных сокращений считается нормой

РБК
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
Как выбрать идеальную подушку: советы эксперта Как выбрать идеальную подушку: советы эксперта

Что такое анатомическая подушка? Какой материал должен быть внутри?

РБК
Как пользоваться посудомоечной машиной: инструкция для новичков Как пользоваться посудомоечной машиной: инструкция для новичков

Как пользоваться посудомойкой и обеспечить ей правильный уход

CHIP
Хорошо забытое Хорошо забытое

Сколько кулинарных чудес произошло благодаря этому досадному свойству: забывать

Psychologies
Биоархеологи обнаружили жертв последней чумы Имолы Биоархеологи обнаружили жертв последней чумы Имолы

Ученые раскопали останки 133 человек, умерших в 1630–1632 годах от чумы

N+1
Кошелек или жизнь Кошелек или жизнь

Как избежать крайностей и получать удовлетворение от финансовых вложений?

Psychologies
Сколько «п» в слове «медицина»? Сколько «п» в слове «медицина»?

Постулату «Болезнь проще предотвратить, чем вылечить» скоро сто лет

Forbes Life
Современное растениеводство требует перемен Современное растениеводство требует перемен

На помощь агрономам сегодня приходят беспилотники, Big Data и биопрепараты

Эксперт
Как модель для сборки Как модель для сборки

Шварцвальд: времена меняются, но не все в мире спешит меняться вместе с ними

Вокруг света
Елки-моталки Елки-моталки

Хорошая хозяйка знает, что Новый год – никакой не праздник

Cosmopolitan
«Ужасные девушки»: Кейт Миддлтон терпела издевательства от одноклассниц «Ужасные девушки»: Кейт Миддлтон терпела издевательства от одноклассниц

Кейт Миддлтон не любит вспоминать некоторые школьные годы

Cosmopolitan
Сады на крыше: где искать городской оазис в Сингапуре и Москве Сады на крыше: где искать городской оазис в Сингапуре и Москве

Через пару десятилетий «зеленые» здания станут новой нормой для мегаполисов

РБК
В Германии раскопали средневековый некрополь для прокаженных В Германии раскопали средневековый некрополь для прокаженных

Археологи нашли некрополь для тяжелобольных

N+1
Как собака помогла моему клиенту победить депрессию Как собака помогла моему клиенту победить депрессию

Контакт с собакой-ассистентом буквально перевернул сессию и совместную работу

Psychologies
Снеговики-трешевики (галерея идей для вдохновения) Снеговики-трешевики (галерея идей для вдохновения)

Немного усилий — и тебя с ребенком будет бояться вся детская площадка!

Maxim
Профессиональные «болезни» предпринимателей: что это и как с ними бороться Профессиональные «болезни» предпринимателей: что это и как с ними бороться

Чего ждать от типичных «болезней предпринимателя» и можно ли от них уберечься

Inc.
Лубянская машина времени. Почему наследники Дзержинского решили ликвидировать «Мемориал»* Лубянская машина времени. Почему наследники Дзержинского решили ликвидировать «Мемориал»*

Россию невозможно вернуть в эпоху «самого вкусного в мире мороженого»

СНОБ
От femme fatale до супергероев и андроидов: эволюция киногероев за последние 100 лет От femme fatale до супергероев и андроидов: эволюция киногероев за последние 100 лет

Какие типажи героев появились в кино за последние 100 лет?

Esquire
Серая зона отказа: понимаем ли мы слово «нет» Серая зона отказа: понимаем ли мы слово «нет»

Исследование продемонстрировало неоднозначное отношение мужчин к отказу

СНОБ
Позволим себе лишнего! Позволим себе лишнего!

Иногда стоит дать себе поблажку и получить от еды чистое наслаждение

Лиза
«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
Полируй нежно, срезай неглубоко: как сделать маникюр самой, когда салоны закрыты Полируй нежно, срезай неглубоко: как сделать маникюр самой, когда салоны закрыты

Даже если ты не мастер нейл-сервиса, ты можешь сделать качественный маникюр дома

Cosmopolitan
Когда мотор меньше, но мощнее Когда мотор меньше, но мощнее

Тенденция уменьшения двигателей добралась до верхних автомобильных сегментов

Эксперт
Социальный заказ Социальный заказ

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

Forbes
Как правильно выражать гнев Как правильно выражать гнев

Всегда ли стоит выражать гнев и как прожить его без вреда для себя и окружающих

Psychologies
Открыть в приложении