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

«Сталин» гудлак «Сталин» гудлак

Александр Горбунов о том, почему спасение утопающих – дело рук самих утопающих

Esquire
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Домашняя арт–галерея Домашняя арт–галерея

Новый проект студии «Детали» — колоритный современный интерьер

SALON-Interior
3 неявных признака того, что перед вами нарцисс 3 неявных признака того, что перед вами нарцисс

Люди с нарциссическими чертами редко осознают, что с ними что-то не так

Psychologies
Тургенев, Vogue, сладости: странности и чудачества Федора Достоевского Тургенев, Vogue, сладости: странности и чудачества Федора Достоевского

Странные факты о Федоре Достоевском, которых вы не знали

Esquire
Безопасные инвестиции. Что надо знать новичку на фондовом рынке Безопасные инвестиции. Что надо знать новичку на фондовом рынке

Чем руководствоваться, чтобы старт в инвестициях оказался эффективным?

СНОБ
Как перестать бояться и начать свое дело Как перестать бояться и начать свое дело

Какие качества помогут создать успешный бизнес

СНОБ
Кошек удивила «телепортация» хозяев Кошек удивила «телепортация» хозяев

Кошки отслеживают положение хозяина по звукам его голоса

N+1
Доктор Лиза: о жизни, о смерти, о любви Доктор Лиза: о жизни, о смерти, о любви

Отрывки из личного дневника Елизаветы Глинки — о жизни и смерти, о любви

Cosmopolitan
Игрушки с перспективой: на что способны новейшие квантовые компьютеры Игрушки с перспективой: на что способны новейшие квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры с принципиально новыми характеристиками

Forbes
Светлым сипухам с Британских островов нашли предков на Пиренейском полуострове Светлым сипухам с Британских островов нашли предков на Пиренейском полуострове

Обыкновенные сипухи заселили Британские острова с Пиренейского полуострова

N+1
Все страхи мира: чего боятся создатели Кодекса этики искусственного интеллекта Все страхи мира: чего боятся создатели Кодекса этики искусственного интеллекта

Собрание негативных сценариев развития новой технологии

Forbes
Женщина умерла от сепсиса, потому что врачи отказались прерывать беременность Женщина умерла от сепсиса, потому что врачи отказались прерывать беременность

Инцидент получил огласку и сразу же вызвал жесточайший общественный резонанс

Cosmopolitan
8 самых распространенных сексуальных комплексов 8 самых распространенных сексуальных комплексов

Отелло, Квазимодо, Нарцисс и другие сексуальные комплексы

Maxim
Песнь Адель: гид по жизни и творчеству певицы от А до Я Песнь Адель: гид по жизни и творчеству певицы от А до Я

Личность и карьера Адель от А до Я

Esquire
Что случилось на МКС и сбивала ли Россия спутник? Что случилось на МКС и сбивала ли Россия спутник?

Почему США обвинили Россию в испытаниях противоспутникового оружия

Maxim
Черный спорт имеет значение Черный спорт имеет значение

Toyota представила флагманскую версию Land Cruiser 300 под названием GR Sport

Maxim
8 необычных мужских эрогенных зон 8 необычных мужских эрогенных зон

Рассказываем о чувствительных зонах мужчин

Psychologies
Если пупок надоел Если пупок надоел

Места, которые мы постоянно видим и трогаем, а названий-то и не знаем

Maxim
Организовывал договорные футбольные матчи в Англии и Италии и зарабатывал миллионы долларов: история Уилсона Перумала Организовывал договорные футбольные матчи в Англии и Италии и зарабатывал миллионы долларов: история Уилсона Перумала

Как Уилсон Радж Перумал влиял на исходы футбольных матчей в крупнейших турнирах

VC.RU
Кто такая Екатерина Вельмакина? Смотрим фото победительницы конкурса «Краса России — 2021» Кто такая Екатерина Вельмакина? Смотрим фото победительницы конкурса «Краса России — 2021»

Мы не дадим тебе пропускать конкурсы женской красоты

Maxim
Как неправильный шарф может испортить образ: популярные ошибки и их решение Как неправильный шарф может испортить образ: популярные ошибки и их решение

Шарф — не только способ утеплиться, но и важный элемент стиля

Cosmopolitan
Сложно обнаружить, еще сложнее вылечить: как я заболела туберкулезом Сложно обнаружить, еще сложнее вылечить: как я заболела туберкулезом

В последние годы туберкулез перестал быть болезнью асоциальных слоев населения

Cosmopolitan
Летела с высоты 5200 метров: история выжившей в авиакатастрофе россиянки Летела с высоты 5200 метров: история выжившей в авиакатастрофе россиянки

История женщины, выжившей после крушения самолета

Cosmopolitan
Что Вирджил Абло сделал для модной индустрии Что Вирджил Абло сделал для модной индустрии

Вирджил Абло — художник, которого мы либо хвалили, либо критиковали

GQ
Алкогений: Анри де Тулуз-Лотрек Алкогений: Анри де Тулуз-Лотрек

Анри де Тулуз-Лотрек — один из ярких художников своего времени и певец порока!

Maxim
«Мы верны духу, а не букве»: как Михаил Зыгарь снимает взрослый сериал по сказкам Пушкина «Мы верны духу, а не букве»: как Михаил Зыгарь снимает взрослый сериал по сказкам Пушкина

Михаил Зыгарь о своем замысле перевести сказки Пушкина на киношный язык

GQ
На пути к «Чёрному дрозду»: засекреченный проект ВВС США по разработке высотных самолетов-разведчиков На пути к «Чёрному дрозду»: засекреченный проект ВВС США по разработке высотных самолетов-разведчиков

WS-118 — разведывательный самолет с замашками космического аппарата

Популярная механика
Сколько свободного времени нам нужно для счастья Сколько свободного времени нам нужно для счастья

Какое оптимальное количество свободного времени в сутках?

Psychologies
Открыть в приложении