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

Космические струны, кротовые норы и черные дыры: что ученые знают о путешествиях во времени и телепортации Космические струны, кротовые норы и черные дыры: что ученые знают о путешествиях во времени и телепортации

Как путешествия во времени и телепортация выглядят с точки зрения науки?

Forbes
Тянуть за язык: с какими запросами россияне обращаются в справочные службы русского языка Тянуть за язык: с какими запросами россияне обращаются в справочные службы русского языка

Забавные запросы в справочные службы русского языка

Esquire
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Волшебный топ: 7 отличных фильмов про магию и колдовство Волшебный топ: 7 отличных фильмов про магию и колдовство

Многим хочется верить в сказки, поэтому мы собрали для вас 7 колдовских фильмов

Cosmopolitan
Трактор от А до Я: из чего состоит, как работает и для чего на самом деле нужен Трактор от А до Я: из чего состоит, как работает и для чего на самом деле нужен

Как устроены и почему так ценятся современные тракторы

Популярная механика
Облысевшая женщина вернула себе волосы и помолодела на 20 лет Облысевшая женщина вернула себе волосы и помолодела на 20 лет

78-летняя Бренда Викерс из Уокергейта на протяжении 20 лет теряла волосы

Cosmopolitan
Открытки и плакаты из советского детства к празднику 7 Ноября Открытки и плакаты из советского детства к празднику 7 Ноября

Подборка советских открыток и плакатов к 7 Ноября. Возможны приступы ностальгии

Maxim
8 способов сделать образ с пуховиком стильным — лучшие модные приемы зимы 8 способов сделать образ с пуховиком стильным — лучшие модные приемы зимы

Запоминай 8 классных способов, как носить пуховик этой зимой

Cosmopolitan
Эмили Ратаковски выпустила книгу Эмили Ратаковски выпустила книгу

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

Esquire
Перестань заедать стресс! Как победить жор на нервной почве? Перестань заедать стресс! Как победить жор на нервной почве?

Мы часто едим вовсе не потому, что голодны, а от скуки или в состоянии стресса

Cosmopolitan
Александр «Чача» Иванов Александр «Чача» Иванов

Ветеран панк-рока рассказал о своих отношениях со спиртным, религией и музыкой

Maxim
Самые экстремальные предложения в туризме: от прогулки по «тропе смерти» до дайвинга между континентами Самые экстремальные предложения в туризме: от прогулки по «тропе смерти» до дайвинга между континентами

Как спланировать сложный и необычный маршрут с нотками авантюризма

Playboy
Одеваются лучше 20-летних! Современные иконы стиля в 50+ лет — кто они? Одеваются лучше 20-летних! Современные иконы стиля в 50+ лет — кто они?

Кто из знаменитостей 50+ сегодня задает тренды для молодежи

Cosmopolitan
Платформенное безобразие Платформенное безобразие

Когда фрилансеры и самозанятые получат права и соцгарантии? И получат ли

РБК
Интерес вместо страха Интерес вместо страха

Как гибридный формат работы влияет на управление людьми

РБК
Почему Василий Лановой три раза отказывался от роли в «Офицерах»? Почему Василий Лановой три раза отказывался от роли в «Офицерах»?

Василий Лановой признался, что три раза отказывался от съёмок в «Офицерах».

Cosmopolitan
Неандертальцам приглянулись зеленые камешки для изготовления орудий Неандертальцам приглянулись зеленые камешки для изготовления орудий

Древние люди использовали змеевик для обработки кости

N+1
Мадонна, Деми Мур, Шер: как старели бы звезды без пластической хирургии Мадонна, Деми Мур, Шер: как старели бы звезды без пластической хирургии

Как выглядели бы звезды, если бы предпочли держаться подальше от хирургов

Cosmopolitan
На рынках Афганистана начали продавать штурмовое оружие, поставляемое США На рынках Афганистана начали продавать штурмовое оружие, поставляемое США

На рынках Афганистана можно купить хоть пистолет, хоть реактивный гранатомет

Maxim
Биологи нашли гены долголетия тихоокеанских окуней Биологи нашли гены долголетия тихоокеанских окуней

Биологи выявили гены, связанные с высокой продолжительностью жизни у окуней

N+1
Почему анализировать детство бывает опасно Почему анализировать детство бывает опасно

Когда стоит перестать копаться в прошлом и двигаться дальше

Psychologies
Михаил Врубель: «В сияньи многоцветных крыл» Михаил Врубель: «В сияньи многоцветных крыл»

Выставка, посвященная творчеству Михаила Врубеля, открылась в Новой Третьяковке

СНОБ
Самая сильная боль: ты точно испытывала ее хотя бы раз в жизни Самая сильная боль: ты точно испытывала ее хотя бы раз в жизни

Иногда боль бывает такой сильной, что ее просто невозможно терпеть

Cosmopolitan
О перспективах спасения планеты О перспективах спасения планеты

Как человечество планирует бороться с глобальным изменением климата

СНОБ
Анонимы и спекулянты: стал ли арт-рынок прозрачнее благодаря блокчейну Анонимы и спекулянты: стал ли арт-рынок прозрачнее благодаря блокчейну

Анализируем самые громкие сделки по продаже NFT-искусства в 2021 году

Forbes
12 французских фильмов про любовь и страсть 12 французских фильмов про любовь и страсть

Самые волнующие французские фильмы, которые заставят твое сердце биться чаще

Лиза
Деньги на булавки: как дочь фермера превратила рукоделие в прибыльный бизнес Деньги на булавки: как дочь фермера превратила рукоделие в прибыльный бизнес

Кэндис Уилер придумала, как превратить домашнюю рутину в прибыльное дело

Forbes
Бокальчик-другой Бокальчик-другой

Как понять, что с алкоголем пора завязывать

Лиза
Периодическое падение яркости двойной звезды объяснили плотным облаком пыли Периодическое падение яркости двойной звезды объяснили плотным облаком пыли

Почему некоторые звезды могут тускнеть?

N+1

Исполнилось 68 лет с момента испытаний первой советской водородной бомбы

Популярная механика
Открыть в приложении