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

Геном Геном

Автобиография вида в двадцати трех главах

kiozk originals
8 видов птиц и животных, которым угрожает вымирание из-за кошек 8 видов птиц и животных, которым угрожает вымирание из-за кошек

Домашние кошки уничтожают особей видов, находящихся под угрозой исчезновения

Популярная механика
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
4 способа извлечь максимальную пользу из онлайн-курсов 4 способа извлечь максимальную пользу из онлайн-курсов

Как не потратить деньги просто так на онлайн-курсы?

Inc.
Горящая земля и деревня под водой: 7 мест на планете, куда бы вы не захотели отправиться Горящая земля и деревня под водой: 7 мест на планете, куда бы вы не захотели отправиться

Пожар под землей и опасные отходы: в этих городах вы точно не пожелаете побывать

Playboy
Не такие, как все Не такие, как все

Необычные профессии, вопреки недоуменным взглядам окружающих

Psychologies
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
Дмитрий Брейтенбихер: «Сначала лучше, потом дешевле. Сначала доходы, потом расходы» Дмитрий Брейтенбихер: «Сначала лучше, потом дешевле. Сначала доходы, потом расходы»

ВТБ намерен развивать бизнес по работе с состоятельными клиентами

Forbes
«Счастье — это реальность минус ожидания». Интервью о психологии семьи «Счастье — это реальность минус ожидания». Интервью о психологии семьи

Автор книги «Поколение "сэндвич"» — о счастье и языке между поколениями

РБК
Лорис-Меликовы Лорис-Меликовы

Михаил Тариэлович мог изменить судьбу России, но ему помешало убийство царя

Дилетант
Энергетик для мускулов: что такое креатин и как он работает Энергетик для мускулов: что такое креатин и как он работает

Рассказываем о пользе и противопоказаниях креатина вместе с врачом и тренером

РБК
Беспроигрышная лотерея Беспроигрышная лотерея

Зачем аналитики и экономисты делают неверные прогнозы и не останавливаются

Forbes
На орбите На орбите

Современный и смелый интерьер с панорамным видом на столицу

SALON-Interior
Космический тако: космонавты съели выращенный на МКС перец чили Космический тако: космонавты съели выращенный на МКС перец чили

Космонавты съели перец чили, выращенный в космосе

Playboy
Гид по татуировкам Гид по татуировкам

Тренды в тату-индустрии

Playboy
Новый миллиардер: как Джон Риччитьелло заработал на играх Новый миллиардер: как Джон Риччитьелло заработал на играх

История успеха миллиардера индустрии видеоигр Джона Риччитьелло

Forbes
Каким получился сериал «Вне себя» со Стычкиным, Цыгановым и Лядовой Каким получился сериал «Вне себя» со Стычкиным, Цыгановым и Лядовой

Главный герой в компании фантомов сражается со своим внутренним «я»

GQ
Что смотреть и пробовать в Краснодарском крае. Гид «РБК Стиль» Что смотреть и пробовать в Краснодарском крае. Гид «РБК Стиль»

Рассказываем, что такое Краснодарский край в несезон

РБК
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 два друга бросили работу в офисе и создали приложение для барбершопов за $750 млн Как два друга бросили работу в офисе и создали приложение для барбершопов за $750 млн

Как Сонж ЛаРон и Дэйв Салвант создали самый перспективный стартап

Forbes
Все виды камер на дорогах: как выглядят, за что штрафуют (памятка) Все виды камер на дорогах: как выглядят, за что штрафуют (памятка)

Все о комплексах видеофиксации, работающих на дорогах России

РБК
Когда снятся вещие сны: не пропусти ночь на вторник и расшифруй послание Когда снятся вещие сны: не пропусти ночь на вторник и расшифруй послание

Ночью из нематериальных сфер приходят предупреждения и предсказания

Cosmopolitan
Археологи нашли в Великом Новгороде средневековые костяные коньки Археологи нашли в Великом Новгороде средневековые костяные коньки

Ученые подвели итоги раскопок 2021 года в Великом Новгороде

N+1
Свобода власти: почему за 30 лет в России так и не появилось политической конкуренции Свобода власти: почему за 30 лет в России так и не появилось политической конкуренции

Почему в стране не возникло движений, способных оказать давление на власть

Forbes
Пятый элемент Пятый элемент

Дом в Подмосковье с максимально открытым пространством

SALON-Interior
Что читают голосовые помощники: 10 любимых книг искусственного интеллекта Что читают голосовые помощники: 10 любимых книг искусственного интеллекта

Подборка любимых книг Олега — голосового помощника экосистемы «Тинькофф»

Популярная механика
Мириам Сехон: «Договориться о том, что для нас «Солярис» сегодня, оказалось непросто» Мириам Сехон: «Договориться о том, что для нас «Солярис» сегодня, оказалось непросто»

Мириам Сехон — о спектакле Solaris и виртуальной реальности

Grazia
Логарифмическая линейка: забавная история Логарифмическая линейка: забавная история

Логарифмическая линейка — заслуженный патриарх всех вычислительных устройств

Популярная механика
«Мать выгнала меня из дома. А теперь ждет, что я стану ухаживать за ней» «Мать выгнала меня из дома. А теперь ждет, что я стану ухаживать за ней»

Обязаны ли взрослые дети помогать родителям?

Psychologies
В Южной Германии впервые обнаружили захоронение культуры колоколовидных кубков В Южной Германии впервые обнаружили захоронение культуры колоколовидных кубков

Символическую могилу сделали во второй половине III тысячелетия до нашей эры

N+1
Открыть в приложении