Quando um raio cósmico penetra a atmosfera terrestre reage com os núcleos dos vários elementos em estado gasoso. Nesta reacção origina-se um grande número de partículas secundárias. Em média a primeira reacção ocorre entre os 20 km e os 15 km de altitude. É portanto muito pouco provável que um raio cósmico sobreviva até atingir a superfície terrestre. As partículas secundárias que se formam na reacção constituem o início de uma cascata de partículas . Ao atravessarem a atmosfera as partículas da cascata podem também interagir com os núcleos da atmosfera. Por este processo criam-se novas gerações de partículas. O processo repete-se enquanto a energia das partículas for suficientemente elevada.

Animação 3.1 - Esta animação mostra as várias fases de uma cascata de partículas imaginária. Um raio cósmico entra na atmosfera e desencadeia uma série de reacções originando a multiplicação das partículas. Quando a energia envolvida nas reacções se torna pequena as partículas começam a ser atenuadas na atmosfera. Em simultâneo as partículas vão sendo dispersas espacialmente e temporalmente. A fotografia de fundo é da Serra da Estrela.

     Uma cascata de partículas desenvolve-se até que a energia do raio cósmico seja dissipada. Os gases da atmosfera terrestre actuam portanto como um calorímetro convertendo a energia cinética dos raios cósmicos em massa e em luz . Quando atingem a superfície da terra as partículas que constituem a cascata são maioritariamente fotões e electrões. Os electrões são as partículas com que todo o mundo está familiarizado: quando se acende uma lâmpada dá-se passagem a uma corrente eléctrica que é formada por electrões em movimento. Os fotões são corpúsculos de luz. Por exemplo quando se acende uma lâmpada esta emite fotões. Em menor número observa-se um terceiro tipo de partículas chamado muões . Os muões têm as mesmas propriedades que os electrões. Caracterizam-se por serem 207 vezes mais pesados que os electrões e por serem partículas instáveis, isto é, desintegram-se dando origem a outras partículas.

Figura 3.1 - Composição média de uma cascata de partículas ao nível do mar. As partículas dominantes são os fotões, isto é, a luz. Os fotões são designados pela letra g. Em seguida encontram-se os electrões (designados pela letra e) e os muões (designados pela letra m). Em menor número encontram-se os hadrões. Hadrão é uma designação para partículas como o protão e o neutrão que são sensíveis à interacção forte.

     Ao colidirem com os núcleos dos gases que compõem a atmosfera as partículas podem não reagir. Quando isto acontece a direcção das partículas é alterada e dá-se origem à dispersão espacial das partículas de uma cascata. . É devido a este fenómeno que as cascatas de partículas atingem grandes dimensões quando chegam à superfície da Terra. Uma cascata de partículas iniciada por um raio cósmico de energia 10¹⁵ eV tem à superfície da Terra uma extensão de cerca de 100 m². Uma cascata de partículas iniciada por um raio cósmico de 10¹⁸ eV tem à superfície da Terra uma extensão de cerca de 1 km²!