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

Как проверить состояние здоровья всего за минуту: 8 тестов Как проверить состояние здоровья всего за минуту: 8 тестов

Эти простые тесты помогут оценить многие системы организма

Популярная механика
Магнитным частицам во внутреннем ухе голубей отказали в роли магниторецепторов Магнитным частицам во внутреннем ухе голубей отказали в роли магниторецепторов

Биофизики выяснили, что кутикулосомы не участвуют в механизме магнитной рецепции

N+1
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Ее попытка номер 5: почему из всех женихов Пэрис Хилтон мужем стал только один Ее попытка номер 5: почему из всех женихов Пэрис Хилтон мужем стал только один

Кто пытался, но так и не смог довести светскую львицу до алтаря

Cosmopolitan
Утилизация автомобиля: инструкция, условия, список документов Утилизация автомобиля: инструкция, условия, список документов

Утилизация машины поможет сэкономить деньги и позаботиться об окружающей среде

РБК
Своя игра Своя игра

Актриса и певица Нино Нинидзе примерила сияющие вечерние образы

Harper's Bazaar
Я подарю тебе сердце: какие органы можно напечатать на биопринтере Я подарю тебе сердце: какие органы можно напечатать на биопринтере

Что представляет собой процесс биопечати

Популярная механика
«Что в чемоданах — неизвестно»: как работает Unclaimed Baggage из США, который продаёт потерянный в аэропорту багаж «Что в чемоданах — неизвестно»: как работает Unclaimed Baggage из США, который продаёт потерянный в аэропорту багаж

Unclaimed Baggage — магазин, перепродающий вещи из невостребованного багажа

VC.RU
Невеста попросила подруг похудеть к свадьбе, и они обиделись Невеста попросила подруг похудеть к свадьбе, и они обиделись

В погоне за свадьбой мечты легко обидеть гостей

Psychologies
Ученые против старения: книги о том, как прожить больше 100 лет Ученые против старения: книги о том, как прожить больше 100 лет

Книги о средства по борьбе со старением

Популярная механика
Минералка без газа и кофе с маслом: что пить на интервальном голодании Минералка без газа и кофе с маслом: что пить на интервальном голодании

Можно ли пить и что именно во время интервального голодания?

Cosmopolitan
Материалы корпуса ноутбука: какой лучше выбрать Материалы корпуса ноутбука: какой лучше выбрать

Из каких вообще материалов производят ноутбуки и как выбрать подходящий?

Популярная механика
Штрафы ГИБДД, на которые водители махнули рукой (накажут в любой момент) Штрафы ГИБДД, на которые водители махнули рукой (накажут в любой момент)

За какие неузаконенные улучшения и недочеты можно получить штраф

РБК
Путеводитель по женской груди: 45 фактов о двух аргументах Путеводитель по женской груди: 45 фактов о двух аргументах

Научный мир по нашей просьбе бросился на изучение женской груди

Maxim
Стоп, снято: самые известные убийства на киносъемках Стоп, снято: самые известные убийства на киносъемках

Когда что-то вдруг пошло не по сценарию

Playboy
Тайна хрущёвок: зачем в старых квартирах делали окно между кухней и ванной? Тайна хрущёвок: зачем в старых квартирах делали окно между кухней и ванной?

Правда и мифы о том, зачем в квартирах делали окно между кухней и ванной

Cosmopolitan
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.
Вот скажи мне, американец: каково это — быть российским предпринимателем в США Вот скажи мне, американец: каково это — быть российским предпринимателем в США

Российские предприниматели — о негативном и предвзятом отношении к себе в США

Esquire
Физики нашли простой способ получения сверхкоротких лазерных импульсов видимого диапазона Физики нашли простой способ получения сверхкоротких лазерных импульсов видимого диапазона

Физики реализовали технологию генерации сверхкоротких импульсов

N+1
Сбавить обороты: 8 способов справиться со своей раздражительностью без вреда для себя и партнера Сбавить обороты: 8 способов справиться со своей раздражительностью без вреда для себя и партнера

Даже в счастливых браках супругам бывает непросто сдержать свое негодование

Лиза
Людмила Гаврилова. Людмила Гаврилова.

История актрисы Людмилы Гавриловой

Коллекция. Караван историй
Вупи Голдберг в векторах: оцениваем размерность пространства лиц Вупи Голдберг в векторах: оцениваем размерность пространства лиц

Какой размерности должно быть пространство признаков, позволяющих отличать лица?

N+1
«Ты пой ему больше песен». Почему Есенин бросил первую жену с сыном «Ты пой ему больше песен». Почему Есенин бросил первую жену с сыном

Анна Изряднова была, наверное, первой настоящей поклонницей Сергея Есенина

Cosmopolitan
Лилия Бурдинская Лилия Бурдинская

Танц-художница и основательница центра Bye Bye Ballet Лилия Бурдинская

Собака.ru
Золото России: как Aurus из автомобиля стал самолетом Золото России: как Aurus из автомобиля стал самолетом

Проект, который начинался как автомобиль для президента, вырос в целую философию

Playboy
В 4000-тысячелетней гробнице под храмом Хатшепсут нашли коллекцию ритуальных предметов В 4000-тысячелетней гробнице под храмом Хатшепсут нашли коллекцию ритуальных предметов

Жрецы храма фараона-женщины использовали древнюю усыпальницу как тайник

N+1
Арслан Бердиев Арслан Бердиев

Шеф-повар Арслан Бердиев — главная сенсация Петербурга

Собака.ru
Команда на удаленке: держать руку на пульсе или пистолет у виска? Команда на удаленке: держать руку на пульсе или пистолет у виска?

Где грань между заботой об эффективности сотрудников и тоталитарным давлением?

СНОБ
5 самых странных вещей, которые отдыхающие встречали на пляже 5 самых странных вещей, которые отдыхающие встречали на пляже

Подборка 5 самых странных находок туристов на пляжах

Playboy
Как заплатить фрилансеру: десять сервисов Как заплатить фрилансеру: десять сервисов

Как можно упростить работу с фрилансерами, хоть и не бесплатно

VC.RU
Открыть в приложении