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

Пластичность мозга Пластичность мозга

Потрясающие факты о том, как мысли способны менять структуру и функции мозга

kiozk originals
Кровавый долг и кровная месть. Отрывок из книги врача-гематолога Кровавый долг и кровная месть. Отрывок из книги врача-гематолога

Книга гематолога «История крови. От первобытных ритуалов к научным открытиям»

СНОБ
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Кожа стареет быстро из-за этих пищевых привычек: увы, они у тебя есть Кожа стареет быстро из-за этих пищевых привычек: увы, они у тебя есть

Список пищевых ошибок, работа над которыми улучшит состояние кожи

Cosmopolitan
5 креативных бизнес-идей 5 креативных бизнес-идей

Как наводнение превратилось в фишку ресторана, а такси – в плантацию огурцов

Playboy
Все фильмы Уэса Андерсона — от худшего к лучшему Все фильмы Уэса Андерсона — от худшего к лучшему

Фильмы Уэса Андерсона: от наименее эмоционального — к самому пронзительному

Esquire
Бить за чизбургер — плохо, бить чизбургером — приемлемо: как учёные обучают искусственный интеллект этическим нормам Бить за чизбургер — плохо, бить чизбургером — приемлемо: как учёные обучают искусственный интеллект этическим нормам

О трудностях обучения роботов

VC.RU
От тебя я другого и не ожидала От тебя я другого и не ожидала

Родители играют очень большую роль в развитии тревоги и депрессии

Лиза
«Не время умирать»: как распознать и предотвратить суицид «Не время умирать»: как распознать и предотвратить суицид

Как понять, что человек склонен к суициду?

РБК
Напал на мать: дети известных советских актеров, ставшие преступниками Напал на мать: дети известных советских актеров, ставшие преступниками

Нередко судьба детей знаменитостей складывается совсем не так радужно

Cosmopolitan
Теория обмана: 10 способов определить, что человек тебе врет Теория обмана: 10 способов определить, что человек тебе врет

Обманщик рассекретит себя сам, нужно только быть внимательным

Playboy
Провал Zillow на $500 млн — ошибка в расчетах гиганта индустрии или убыточная бизнес-модель? Провал Zillow на $500 млн — ошибка в расчетах гиганта индустрии или убыточная бизнес-модель?

Автоматизированная покупка и продажа жилья — плохая идея?

Inc.
Что позволено гению. Разговор Зауре Розмат с Исфаром Сарабским — о самодисциплине, плагиате и миксе культур Что позволено гению. Разговор Зауре Розмат с Исфаром Сарабским — о самодисциплине, плагиате и миксе культур

Бизнесвумен Зауре Розмат и музыкант Исфар Сарабский — о творчестве и бизнесе

Esquire
Собственными руками: как Карл-Фридрих Шойфеле изменил судьбу мануфактуру Chopard Собственными руками: как Карл-Фридрих Шойфеле изменил судьбу мануфактуру Chopard

Как Карл-Фридрих Шойфеле решился самостоятельно создавать часовые калибры

Forbes
Сексуальная зависимость или просто любовь к сексу? Когда пора бить тревогу Сексуальная зависимость или просто любовь к сексу? Когда пора бить тревогу

Вы «сексоголик» или у вас просто высокое либидо?

Psychologies
Миссионерская поза и 240 дней воздержания: как занимались сексом в Средневековье Миссионерская поза и 240 дней воздержания: как занимались сексом в Средневековье

Правда ли, что в Средневековье секс был под запретом почти 240 дней в году?

Psychologies
Истина в жене Истина в жене

«Последняя дуэль»: язвительно современный Ридли Скотт в декорациях Средневековья

Weekend
Та самая Мамушка: как Хэтти МакДэниел стала первой афроамериканкой с премией «Оскар» Та самая Мамушка: как Хэтти МакДэниел стала первой афроамериканкой с премией «Оскар»

История Хэтти МакДэниел, которая боролась с дискриминацией даже став звездой

Forbes
Последний ход Ивана Грозного Последний ход Ивана Грозного

Последнее, что увидел в жизни Иван Грозный, — это шахматы

Дилетант
Диабет, болезни сердца и еще 2 проблемы со здоровьем, которые возникнут, если часто есть пиццу (но вред можно снизить) Диабет, болезни сердца и еще 2 проблемы со здоровьем, которые возникнут, если часто есть пиццу (но вред можно снизить)

Увлечение фастфудом опасно, но это не значит, что нужно от него отказаться

Playboy
Комфорт, безопасность и динамика: компания INFINITI представляет в России новый автомобиль QX55 Комфорт, безопасность и динамика: компания INFINITI представляет в России новый автомобиль QX55

INFINITI представляет в России новую модель премиальных кроссоверов QX55

СНОБ
Лучшие фильмы про Элвиса Пресли Лучшие фильмы про Элвиса Пресли

Самые значительные главы из романа короля рок-н-ролла с кинематографом

GQ
Не узнает лицо и не зарядится: чем грозят попытки самостоятельно починить смартфон Не узнает лицо и не зарядится: чем грозят попытки самостоятельно починить смартфон

Стремление сэкономить на ремонте телефона привести к еще большим расходам

Playboy
Почему кошек в древности считали магическими животными? Почему кошек в древности считали магическими животными?

Почему именно кошки не оставляют людей равнодушными?

Cosmopolitan
Видимо-невидимо Видимо-невидимо

Сьюки Уотерхаус примеряет украшения и выбирает, какую роль сыграть сегодня

Harper's Bazaar
«Он — лучший клиент». Проститутка рассказала о связи с мужчиной, больным ДЦП «Он — лучший клиент». Проститутка рассказала о связи с мужчиной, больным ДЦП

История Олив и Гэвина, открывших свой канал в ТикТоке об интимных практиках

Cosmopolitan
Искусство терять: роман о том, как мы продолжаем жить после утраты близких Искусство терять: роман о том, как мы продолжаем жить после утраты близких

Отрывок из книги Алис Зенитер «Искусство терять»

Forbes
White Punk – о провинции, индустрии и воссоединении YungRussia White Punk – о провинции, индустрии и воссоединении YungRussia

Интервью с White Punk – о прошлом и настоящем рэп-музыки

GQ
Женщина подружилась с матерью человека, убившего её дочь Женщина подружилась с матерью человека, убившего её дочь

Мать убийцы и мать убитой нашли общий язык

Cosmopolitan
Эксперт рассказал, какие позы для сна выбирают пары с самыми крепкими отношениями Эксперт рассказал, какие позы для сна выбирают пары с самыми крепкими отношениями

А ты спишь кабанчиком или ложечками?

Playboy
Открыть в приложении