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

1990: Лихие и крутые 1990: Лихие и крутые

В январе 1991 года на Пушкинской площади открылся первый «Макдоналдс»

Esquire
Активно-реактивные снаряды: как это работает Активно-реактивные снаряды: как это работает

Колыбелью практически всех военных технологий стала Вторая мировая война

Популярная механика
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Пять новых российских сериалов, которые стоят твоего внимания Пять новых российских сериалов, которые стоят твоего внимания

Несколько сериалов, на которые стоит обратить внимание

Cosmopolitan
«Если бы ты меня любил!»: как партнер манипулирует вами «Если бы ты меня любил!»: как партнер манипулирует вами

Бывало ли у вас чувство, что с вашими отношениями что-то не так?

Psychologies
Археологи обнаружили в Перу древнейшее кирпичное здание Америки Археологи обнаружили в Перу древнейшее кирпичное здание Америки

Возраст руин в Перу составляет около 5100 лет

N+1
Кадровый город: как устойчивая городская среда помогает бизнесу Кадровый город: как устойчивая городская среда помогает бизнесу

Чем комфортнее город, тем вероятнее компания решит проблему дефицита кадров

Forbes
Российские химики синтезировали самые маленькие наночастицы для определения ионов тяжелых металлов в воде Российские химики синтезировали самые маленькие наночастицы для определения ионов тяжелых металлов в воде

Ученые создали наночастицы, определяющие металлы в воде

Популярная механика
Деятельность майя связали с цветением озера Аметитлан Деятельность майя связали с цветением озера Аметитлан

Как численность населения в городе майя повлияла на озера Аметитлан?

N+1
Скрежет зубовный. К чему приводит несвоевременная инициация Скрежет зубовный. К чему приводит несвоевременная инициация

Становиться «настоящими мужчинами» в 13 лет непросто, и не нужно

СНОБ
Плазмида с CRISPR/Cas9 убила патогенные штаммы в кишечнике мыши Плазмида с CRISPR/Cas9 убила патогенные штаммы в кишечнике мыши

Ученым создали плазмиду с высокой скоростью конъюгации

N+1
Похороны вприсядку и еще 10 удивительных церемоний погребения Похороны вприсядку и еще 10 удивительных церемоний погребения

Мы покажем тебе необычные ритуальные церемонии разных времен и народов

Maxim
Выбираем качественный кабель для зарядки смартфона: на что обратить внимание Выбираем качественный кабель для зарядки смартфона: на что обратить внимание

Как выбрать подходящий кабель для зарядки вашего смартфона

CHIP
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
Утюг, отпариватель или парогенератор – что выбрать для дома? Утюг, отпариватель или парогенератор – что выбрать для дома?

Что лучше – отпариватель или парогенератор для одежды?

CHIP
«Да все, пипец. Пиши пропало». Что известно о марихуановом стартапе Егора Лаврова — создателя fuck.ru и выходца из ЖЖ «Да все, пипец. Пиши пропало». Что известно о марихуановом стартапе Егора Лаврова — создателя fuck.ru и выходца из ЖЖ

Каннабис и криптовалюта: что могло пойти не так в бизнесе Егора Лаврова?

Esquire
6 книг про искусственный интеллект — о том, что готовит нам будущее 6 книг про искусственный интеллект — о том, что готовит нам будущее

Книги, которые расскажут об умных роботах и tech-перспективах на ближайшие годы

Популярная механика
Мыслю — значит существую Мыслю — значит существую

Игорь Пивоваров — об искусственном интеллекте и бизнесе, с ним связанном

Наука и жизнь
«Уходя — уходи»: как отпустить тех, кого мы любили «Уходя — уходи»: как отпустить тех, кого мы любили

Почему так сложно пережить расставание?

Psychologies
10 лучших программ для создания анимации на компьютере 10 лучших программ для создания анимации на компьютере

Какая программа для создания анимации подойдет именно вам?

CHIP
Социальное — это для всех: почему соцсектор не должен оставаться женской сферой Социальное — это для всех: почему соцсектор не должен оставаться женской сферой

У женщин и правда есть некий «ген доброты»?

Forbes
Исследование: россиянки начинают бизнес из-за безработицы и идут на глобальный рынок Исследование: россиянки начинают бизнес из-за безработицы и идут на глобальный рынок

Каждый третий владелец растущего бизнеса в мире — женщина

Forbes
Ужасно вкусно: 10 деликатесов из разных стран, от которых волосы встают дыбом Ужасно вкусно: 10 деликатесов из разных стран, от которых волосы встают дыбом

Таких деликатесов вы точно не пробовали

Playboy
Физики сплошных сред хватило для моделирования аккреционного диска черной дыры Физики сплошных сред хватило для моделирования аккреционного диска черной дыры

Теория физики сплошных сред применима в сверхсильных гравитационных полях

N+1
Серотонин: что важно знать о «гормоне счастья» Серотонин: что важно знать о «гормоне счастья»

Что представляет собой один из важнейших гормонов, отвечающих за наше здоровье?

РБК
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
«Это не конец света» и другие токсичные фразы, которые кажутся безобидными «Это не конец света» и другие токсичные фразы, которые кажутся безобидными

Возможно, и в вашем лексиконе есть фразы, от которых давно пора отказаться.

Psychologies
Город низких контрастов Город низких контрастов

Как мы воспринимаем окружающие нас цвета

N+1
Коллаборация NOvA не нашла стерильных антинейтрино Коллаборация NOvA не нашла стерильных антинейтрино

Результаты поиска стерильного антинейтрино с помощью двух детекторов

N+1
Почему Россия не стремится защищать Армению от азербайджанского вторжения Почему Россия не стремится защищать Армению от азербайджанского вторжения

Нельзя защищать тех, кто сделал все, чтобы сдать свои территории

СНОБ
Открыть в приложении