Birkeland urodził się w Christianii (dzisiejszym Oslo) jako syn Reinarta Birkelanda i Ingeborg (née Ege)[3]. Swoją pierwszą pracę naukową napisał w wieku 18 lat. Birkeland poślubił Idę Charlotte Hammer w maju 1905 roku. Nie mieli oni dzieci i ze względu na duże zaangażowanie Birkelanda w badania naukowe, rozwiedli się w roku 1911[4]. Cierpiąc na ciężkie zaburzenia urojeniowe, związane z używaniem weronalu w roli środka nasennego, Kristian Birkeland zmarł w zagadkowych okolicznościach w pokoju hotelowym w Tokio, podczas wizyty na uniwersytecie Tokijskim. Sekcja zwłok wykazała, że w nocy poprzedzającej śmierć Birkeland przyjął 10 gramów weronalu - zamiast zalecanych przez lekarzy 0.5 g. Godzinę śmierci naukowca oszacowano na 7 nad ranem 15 czerwca 1917 roku[1]. Niektórzy autorzy uważają, że uczony popełnił samobójstwo[5].
Badania naukowe
Birkeland zorganizował kilka wypraw do regionów Norwegii leżących na dużych szerokościach geograficznych. W regionach występowania zórz polarnych założył sieć obserwatoriów, w których zbierano dane na temat pola magnetycznego. Wyniki badań norweskiej wyprawy, przeprowadzonej w latach 1899-1900 zawierały pierwsze określenie globalnego schematu prądów elektrycznych w rejonie podbiegunowym. Rezultaty osiągnięto dzięki pomiarom ziemskiego pola magnetycznego. Odkrycie promieniowania Roentgena zainspirowało Birkelanda do opracowania komór próżniowych w celu badania wpływu magnesów na promienie katodowe. Birkeland zauważył, że wiązka elektronów skierowana w stronę namagnesowanego modelu Ziemi skręcała w kierunku biegunów magnetycznych i wyzwalała emisję pierścieni świetlnych wokół biegunów magnesu. Naukowiec doszedł do wniosku, że zorza polarna może powstawać w podobny sposób. Opracował teorię, według której energetyczne elektrony miały być wyrzucane z plam na powierzchni Słońca. Następnie miały się one kierować w stronę Ziemi, a tor ich ruchu miał być zakrzywiany w kierunku regionów podbiegunowych przez ziemskie pole magnetyczne. W tych regionach promienie świetlne miały wytwarzać zjawisko zorzy.
Birkeland zaproponował w swojej książce The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903[6], że polarne prądy elektryczne, dzisiaj znane jako zorzowe elektrodżety, są połączone z układem prądów płynących wzdłuż linii geomagnetycznych w stronę obszarów polarnych i z powrotem. Prądy takie są dziś nazywane prądami Birkelanda na jego cześć. Zamieścił w swojej książce diagram prądów przyległych do pola, który został zreprodukowany na odwrocie banknotu 200 koron norweskich. Jego książka o ekspedycji z lat 1902-1903 zawiera też rozdziały o magnetycznych burzach na Ziemi i ich powiązaniach ze Słońcem, o powstaniu Słońca jako takiego, o komecie Halleya i pierścieniach Saturna. Zaproponowana przez Birkelanda wizja prądów związanych z polem magnetycznym stanowiła źródło kontrowersji, które panowały w świecie naukowym przez ćwierć wieku, jako że istnienie tych prądów nie mogło być potwierdzone wyłącznie za pośrednictwem pomiarów prowadzonych z Ziemi.
Rozmiar przedsięwzięcia naukowego Birkelanda był tak duży, że jego finansowanie stało się poważnym problemem. Doszedłszy do wniosku, że wynalazek techniczny mógłby mu zapewnić bogactwo, Birkeland skonstruował działo elektromagnetyczne i z pomocą kilku inwestorów założył firmę, produkującą broń palną. Broń elektromagnetyczna okazała się skuteczna. Nie podjęto jednak produkcji modeli o wysokich prędkościach (ok. 600 m/s), które proponował Birkeland. Największa prędkość, jaką udało się uzyskać z największej maszyny, wynosiła 100 m/s i odpowiadała niezbyt zadowalającemu zasięgowi pocisku - 1 km. Birkeland przemianował swój wynalazek na torpedę powietrzną i zorganizował pokaz, z zamiarem sprzedaży firmy. Podczas pokazu, w jednej ze zwojnic nastąpiło zwarcie, którego efektem był efektowny łuk indukcyjny, z towarzyszącym hukiem, płomieniem i dymem. Była to zarazem pierwsza awaria wyrzutni skonstruowanej przez Birkelanda. Mogła być ona łatwo naprawiona.
Jednak wkrótce los sprawił, że Birkeland poznał inżyniera Sama Eyde. Podczas uroczystego obiadu Eyde powiedział naukowcowi o zapotrzebowaniu przemysłu na sztuczne wytwarzanie możliwie jak najmocniejszej błyskawicy w celu produkcji nawozów sztucznych (wiązanie azotu z powietrza). Birkeland opowiedział inżynierowi o swoich pracach. Zaniechał zamiaru sprzedaży firmy zbrojeniowej. Współpracował z Eyde'm do chwili, gdy udało się Birkelandowi skonstruować urządzenie do wytwarzania łuków plazmowych, niezbędnych przy wiązaniu azotu z powietrza. Birkeland opracował prototyp urządzenia, którego masowa produkcja stała się opłacalna. Birkeland i Eyde utworzyli firmę Norsk Hydro, która w dużym stopniu wpłynęła na poprawę sytuacji ekonomicznej Norwegii. Dzięki nowej działalności Birkelandowi udało się zgromadzić kwoty wystarczające do pokrycia kosztów jego badań naukowych.
Fakt, że Birkeland został partnerem Eyde'a w interesach zdaje się być jedną z przyczyn bezowocnych nominacji naukowca do Nagrody Nobla. Eyde pragnął być nominowany razem z Birkelandem. Niemniej jednak Nagrodą Nobla honoruje się twórców pomysłów, a nie autorów ich komercyjnych zastosowań. W tej sytuacji przyznanie nagrody Birkelandowi stałoby się kwestią sporną. W dodatku stosunki pomiędzy Szwecją a Norwegią były wówczas napięte, co razem zaowocowało przyznaniem Nagrody Nobla przez komitet komuś innemu.
W roku 1913 Birkeland prawdopodobnie jako pierwsza osoba na świecie przewidział, że plazma jest powszechną we wszechświecie formą materii. Napisał:
"Wydaje się być naturalnym następstwem naszego punktu widzenia przypuszczenie, że cała przestrzeń kosmiczna jest wypełniona elektronami oraz swobodnie poruszającymi się jonami wszelkiego rodzaju. Pozwoliliśmy sobie założyć, że każdy układ gwiezdny w trakcie swojego rozwoju wyrzuca w przestrzeń cząsteczki naładowane elektrycznie. Nie wydaje się zatem nierozsądną myśl, że większość masy materii we wszechświecie znajduje się nie w układach planetarnych ani mgławicach, lecz w "pustej" przestrzeni."[6]
W roku 1916 Birkeland został prawdopodobnie pierwszą osobą, której udało się przewidzieć, że wiatr słoneczny zachowuje się tak, jak wszystkie cząstki obdarzone ładunkiem zachowują się w polu elektrycznym:
"Z fizycznego punktu widzenia jest najbardziej prawdopodobnie, że promienie słoneczne nie składają się wyłącznie z ujemnych bądź dodatnich ładunków, ale z obydwu rodzajów"[7]. Innymi słowy, wiatr słoneczny składa się zarówno z ujemnie naładowanych elektronów, jak i kationów.
Dowodów potwierdzających hipotezę Birkelanda mogły dostarczyć jedynie obserwacje, przeprowadzone ponad jonosferą za pomocą satelitów. Magnetometr, zamieszczony na pokładzie amerykańskiego wojskowego satelity nawigacyjnego, uruchomionego w roku 1963, odnotował zaburzenia pola magnetycznego, początkowo uważane za fale hydromagnetyczne. Wkrótce jednak okazało się, że są one spowodowane przez tzw. prądy Birkelanda. Pierwsza dokładna mapa statystycznego rozmieszczenia prądów Birkelanda w ziemskim obszarze okołobiegunowym została opracowana w 1974 roku przez A.J. Zmudę i J.C. Armstronga, oraz została zrewidowana w 1976 przez T. Iijima[8] i T.A. Potemra[9][10][11].
Pomimo potwierdzenia i powszechnego zaakceptowania teorii Birkelanda dotyczącej przyczyny i mechanizmów działania zorzy polarnej, część jego popartych eksperymentami hipotez nie znalazła uznania do dzisiaj. Dotyczy to między innymi elektrycznej natury Słońca, komet i pierścieni planetarnych. Birkelandowi udało się przy pomocy swojej terrelli odtworzyć strukturę fotosfery, a także plamy słoneczne i koronę[12]. Mimo to obecnie zaakceptowana teoria dt Słońca zakłada, że głównym czynnikiem mającym wpływ na zjawiska słoneczne jest spowodowana grawitacyjnym kolapsem fuzja nuklearna w jego jądrze oraz procesy termodynamiczne.
Przypisy
↑ abLucy Jago: The Northern Lights. New York: Alfred A. Knopf, 2001. ISBN 0-375-40980-7. Brak numerów stron w książce
↑Potemra, T.A.. The contributions of Kristian Birkeland to space physics. „Geomagnetism and Aeronomy with Special Historical Case Studies. IAGA Newsletters”. 29/1997, s. 107, 1997. Bibcode: 1997gash.conf..107P.
↑ abKristian Birkeland: The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903. New York and Christiania (now Oslo): H. Aschehoug & Co, 1908 (section 1), 1913 (section 2). Brak numerów stron w książce out-of-print, full text online
↑Are the Solar Corpuscular Rays that penetrate the Earth's Atmosphere Negative or Positive Rays?. W: Videnskapsselskapets Skrifter, I Mat -- Naturv. Klasse No.1. Christiania, 1916. Brak numerów stron w książce