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

Человечество Человечество

Обнадеживающая история

kiozk originals
С чистого листа С чистого листа

Филипп Киркоров — о своей семье, стиле и провокационных шоу

OK!
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
В поисках утраченной В поисках утраченной

Какому Деду Морозу писать письма, чтобы вернуть нашу радость обратно?

Cosmopolitan
Логарифмическая линейка: забавная история Логарифмическая линейка: забавная история

Логарифмическая линейка — заслуженный патриарх всех вычислительных устройств

Популярная механика
Василий Кандинский. Голос сердца Василий Кандинский. Голос сердца

Эти предзакатные минуты в Москве Василий Васильевич всегда особенно любил

Караван историй
«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
«Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы? «Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы?

Как часто дружба перерастает в любовь в реальной жизни

Psychologies
Развод, потеря веса и отношения с отцом-алкоголиком: певица Адель дала интервью Опре Развод, потеря веса и отношения с отцом-алкоголиком: певица Адель дала интервью Опре

Американская телеведущая Опра Уинфри взяла интервью у Адель

Forbes
Бить или не бить: как снимают постановочные драки в кино Бить или не бить: как снимают постановочные драки в кино

Постановочный бой – это целая наука, а в хорошей экранной драке и удары реальные

Популярная механика
Менструация и другие «запретные» темы: зачем говорить о них открыто? Менструация и другие «запретные» темы: зачем говорить о них открыто?

Почему женщин часто вынуждают оправдываться за физиологические процессы?

Psychologies
Трогательные отношения: что делать, если вам не хватает прикосновений партнера Трогательные отношения: что делать, если вам не хватает прикосновений партнера

Почему так важен телесный контакт? Какую роль в отношениях он играет?

Psychologies
Зачем Украине нужен свой «Азовский поход» Зачем Украине нужен свой «Азовский поход»

Человеческая природа очень предсказуема

СНОБ
Спектр масс черных дыр объяснили расширением Вселенной Спектр масс черных дыр объяснили расширением Вселенной

Рост массы черных дыр позволяет согласовать данные наблюдений с теорией

N+1
Цветок, из которого готовят синий «чай» Цветок, из которого готовят синий «чай»

Цветки клитории используют в кулинарии для придания необычной синей окраски

Наука и жизнь
Бесплатно, но с регистрацией: как Pinterest мешает пользователям искать изображения и почему его ненавидят Бесплатно, но с регистрацией: как Pinterest мешает пользователям искать изображения и почему его ненавидят

Почему все не любят Pinterest?

VC.RU
Мотивация и самоорганизация: почему управление своим состоянием — главный soft skill? Мотивация и самоорганизация: почему управление своим состоянием — главный soft skill?

Разбираемся в главном мягком навыке любого человека — управлении собой

Inc.
«Девочки» выросли: дружба, отношения и поиск себя в сериале «Женщины за сорок» «Девочки» выросли: дружба, отношения и поиск себя в сериале «Женщины за сорок»

Четыре героини, большой город, отношения с мужьями, настоящая дружба

Forbes
Несбывшееся будущее: как NASA видело гражданскую авиацию в 2025 году Несбывшееся будущее: как NASA видело гражданскую авиацию в 2025 году

Как в 1996 году NASA видело будущее гражданских самолетов

Популярная механика
Герой и предатель Герой и предатель

Как подружились британский продавец и советский шпион

Дилетант
Как похудела звезда КВН Ольга Картункова — без шуток Как похудела звезда КВН Ольга Картункова — без шуток

Ольге Картунковой пришлось сбрасывать вес: общий итог — минус 84 кг!

Cosmopolitan
Теория заговора: как Стэнли Кубрик в «Сиянии» намекал, что снимал полет американцев на Луну Теория заговора: как Стэнли Кубрик в «Сиянии» намекал, что снимал полет американцев на Луну

Как конспирологи расшифровали культовый фильм ужасов «Сияние»

Maxim
Как модель для сборки Как модель для сборки

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

Вокруг света
Мои корешки: известные ученые и исследователи — о книгах, перевернувших их жизнь Мои корешки: известные ученые и исследователи — о книгах, перевернувших их жизнь

Ученые рассказывают о книгах, которые изменили их жизнь

Esquire
Химики оценили эффективность переработки океанского пластикового мусора на борту корабля Химики оценили эффективность переработки океанского пластикового мусора на борту корабля

Работа кораблей-мусорщиков выгоднее, чем транспортировка мусора на берег

N+1
Жительница США заказала киллера для бывшего мужа на фейковом сайте Жительница США заказала киллера для бывшего мужа на фейковом сайте

Уроженка США решила, что можно заказать убийство человека на общедоступном сайте

Популярная механика
Есть ли у животных отпечатки пальцев? Есть ли у животных отпечатки пальцев?

Отпечатки пальцев — уникальная особенность человека или нет?

Популярная механика
Самые модные способы носить дубленку этой зимой: 9 идей от главных модниц Европы Самые модные способы носить дубленку этой зимой: 9 идей от главных модниц Европы

Дубленка — теплая, стильная, практичная верхняя одежда на зиму

Cosmopolitan
«Корпоративный экзорцизм»: кто подставил основателя Papa John's по его мнению и как он провёл три года после скандала «Корпоративный экзорцизм»: кто подставил основателя Papa John's по его мнению и как он провёл три года после скандала

Почему основатель Papa John's уверен в заговоре?

VC.RU
Инновации для животных. Как выглядит современная ветеринария Инновации для животных. Как выглядит современная ветеринария

Как работают современные ветеринары?

СНОБ
Открыть в приложении