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

Чжунго, Хуася или Поднебесная: сколько имен у Китая и какое из них правильное Чжунго, Хуася или Поднебесная: сколько имен у Китая и какое из них правильное

Почему у одной страны так много названий

Популярная механика
8 простых и очень быстрых способов позаботиться о себе 8 простых и очень быстрых способов позаботиться о себе

На то, чтобы заняться собой, у нас нет ни времени, ни сил. Вот что можно сделать

Psychologies
Жизнь на полной мощности Жизнь на полной мощности

Управление энергией – ключ к высокой эффективности, здоровью и счастью

kiozk originals
Эффект Манделы и другие искажения памяти: психолог о том, почему с нами это случается Эффект Манделы и другие искажения памяти: психолог о том, почему с нами это случается

Ты тоже иногда думаешь, что закончил универ "только вчера"?

Playboy
Своя игра Своя игра

Стася Милославская в премьере спектакля «Двенадцатая ночь, или Все что угодно»

Grazia
«Глядя в бездну. Заметки нейропсихиатра о душевных расстройствах» «Глядя в бездну. Заметки нейропсихиатра о душевных расстройствах»

Отрывок из книги нейропсихиатра о душевных расстройствах

N+1
Что такое «углы Джоли» и зачем их все хотят? Что такое «углы Джоли» и зачем их все хотят?

«Углы Джоли» — это тренд в косметологии, выделяющий линию скул и подбородка

Cosmopolitan
«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
Когда мы будем летать на аэротакси, как Брюс Уиллис в Когда мы будем летать на аэротакси, как Брюс Уиллис в

Какое аэротакси ожидает нас в ближайшем будущем?

Популярная механика
Археологи уточнили хронологию бронзового века в Минусинской котловине Археологи уточнили хронологию бронзового века в Минусинской котловине

Афанасьевцы пришли на Средний Енисей в XXX веке до нашей эры

N+1
Ностальгия по постапокалипсису Ностальгия по постапокалипсису

«Финч» — сентиментальная ода американскому сай-фаю XX века

Weekend
Опять женатый: что делать, если тебе всё время встречаются несвободные мужчины Опять женатый: что делать, если тебе всё время встречаются несвободные мужчины

Почему все интересные мужчины оказываются несвободными?

Cosmopolitan
Как голуби находят дорогу домой Как голуби находят дорогу домой

Как голуби ориентируются в сложных и меняющихся ландшафтах?

Популярная механика
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
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
8 заикающихся знаменитостей 8 заикающихся знаменитостей

Узнай, как эти знаменитости справились с нарушениями речи и добились успеха

Maxim
Как диагностируют и лечат спинальную мышечную атрофию Как диагностируют и лечат спинальную мышечную атрофию

Что известно о спинальной мышечной атрофии и почему её лечение стоит так дорого?

РБК
Истребители танков на Донбассе. Из Америки — с любовью Истребители танков на Донбассе. Из Америки — с любовью

Так ли страшен противотанковый ракетный комплекс FGM-148 Javelin?

Maxim
Как связаны между собой спорт и психосоматика? Как связаны между собой спорт и психосоматика?

Как разобраться со своими проблемами, занимаясь спортом

Cosmopolitan
Человечество на диете: почему наши попытки сбросить вес терпят поражение Человечество на диете: почему наши попытки сбросить вес терпят поражение

Отрывок из книги Германа Понцера «Sapiens на диете»

Forbes
На сколько можно похудеть за 2 месяца: минимум и максимум На сколько можно похудеть за 2 месяца: минимум и максимум

Какие варианты питания помогут похудеть и сколько можно сбросить за 2 месяца

Cosmopolitan
Сонник: 10 самых популярных снов и их толкование Сонник: 10 самых популярных снов и их толкование

Популярные сны, которые несут скрытый смысл

Cosmopolitan
Из транспорта для отдыха до полноценного жилья с интернетом и туалетом: как автофургон меняет привычное понятие дома Из транспорта для отдыха до полноценного жилья с интернетом и туалетом: как автофургон меняет привычное понятие дома

Как владельцы жилья на колёсах решают вопросы быта?

VC.RU
Прокофьевы. Дела семейные Прокофьевы. Дела семейные

Прокофьевы: заочный музыкальный диалог великого деда и талантливого внука

СНОБ
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.
Как выглядят сегодня актрисы культовых сериалов нулевых: от «Клона» до «Лоста» Как выглядят сегодня актрисы культовых сериалов нулевых: от «Клона» до «Лоста»

Так ли сильно изменило время актрис из наших любимых сериалов

Cosmopolitan
Одностороннее движение: как понять, что ваша дружба больше не взаимна Одностороннее движение: как понять, что ваша дружба больше не взаимна

Ваша дружба похожа на равноценный обмен или это давно уже «игра в одни ворота»?

Psychologies
Кривой мизинец и плохая память: как гаджеты меняют тело и организм человека Кривой мизинец и плохая память: как гаджеты меняют тело и организм человека

Гаджеты облегчили нашу жизнь, но ценой проблем со здоровьем

Playboy
Он же памятник! Звезды и их откровенные фотографии на фоне храмов Он же памятник! Звезды и их откровенные фотографии на фоне храмов

Самые громкие истории с эпатажными фотографиями на фоне храмов

Cosmopolitan
Морская тачанка. История первого катера на воздушной подушке Морская тачанка. История первого катера на воздушной подушке

Угадай, где придумали судно на воздушной подушке?

Maxim
Открыть в приложении