Král polární záře

tento článek byl původně publikován v časopise Apollon-Research z University of Oslo. Přečtěte si původní článek.

Norský profesor Kristian Birkeland (1867-1917) byl prvním vědcem na světě, který si uvědomil, že polární záře má něco společného s elektromagnetickými bouřemi ze slunce. Byl také mužem za fantastickým vynálezem, který umožnil výrobu hnojiv sběrem dusíku ze vzduchu. Objev byl základem pro založení společnosti Norsk Hydro a průmyslové bonanzy v Notoddenu a Rjukanu. V neposlední řadě: Birkeland byl zodpovědný za 60 nových patentů na vše od margarínu a kaviáru po elctromagnetické dělo. Ale nejdůležitější z našeho pohledu dnes je možná, že položil základy pro většinu moderního výzkumu prováděného v oblasti vesmíru a sluneční fyziky.

navzdory Birkelandovým průkopnickým vynálezům byl přesto téměř zapomenut. Bohužel nebyl schopen prokázat své velkolepé teorie týkající se polární záře. Mezinárodní vědci postavy hlasitě protestovali proti Birkelandovým teoriím. Čtyřicet let po jeho smrti byl sotva zmíněn v učebnicích používaných na univerzitě v Oslu (UiO). Teprve později, když bylo možné provádět měření ze satelitů ve vesmíru, byly potvrzeny jeho teorie severního světla – a poruchy v zemském magnetickém poli.

apollon logo

apollon logo

za posledních dvacet let jeho tvář zdobila Norská bankovka 200 korun, i když jen málo lidí nevěnovalo velkou pozornost postavě na široce používané bankovce.

UiO nyní plánuje oslavit 150. výročí profesora a vynálezce řadou událostí v Norsku i Japonsku.

ačkoli Birkeland začíná být uznáván a stal se předmětem hodně psaní, stále existuje mnoho anekdot z jeho života jako výzkumníka, které široká veřejnost dosud neslyšela.

vědecký zlatý důl

jeden člověk, který ví o Birkelandu velmi mnoho, je emeritní profesor Alv Egeland (85) oddělení fyziky. Egeland se před 50 lety podílel na uspořádání stého výročí na počest Birkelanda v roce 1967. Je také autorem několika knih o Birkelandu.

skotští a němečtí fyzici James Maxwell (1831-1879) a Heinrich Hertz (1857-1879).byly dva zdroje inspirace pro Birkeland. Oba byli vedoucími autoritami v oblasti elektromagnetismu. Maxwell byl teoretik. Popsal, jak se elektromagnetické vlny pohybují a šíří. Hertz byl experimentátor. Podařilo se mu otestovat Maxwellovy teorie v praxi.

” elektromagnetismus se stal nově nalezeným zlatým dolem pro mladého Birkelanda. Už jako školák si koupil vlastní magnet-za vlastní peníze. Magnet použil pro mnoho překvapivých experimentů a praktických vtipů během školních lekcí. Ne všichni Birkelandovi učitelé byli jeho experimenty ohromeni.”

později v životě se Alv Egeland týká, Birkelandovy studie elektromagnetismu a magnetického pole Země by se staly nejdůležitějšími příspěvky jeho výzkumu.
jakmile Birkeland vystudoval univerzitu, začal experimentovat s elektrickými oscilacemi podél kovového drátu.

v roce 1895 zahájil průkopnické studium katodových paprsků, proudu elektronů ve vakuové trubici, ke kterému dochází prostřednictvím vysokého napětí procházejícího mezi zápornými a kladně nabitými elektrodami.

” Birkeland dospěl k závěru, že katodové paprsky se skládají z elektricky nabitých částic a mohou být řízeny magnetickým polem.”

vytvořil umělé polární záře

během příštího roku se Birkeland začal zajímat o spojení mezi slunečními skvrnami a polárními světly. Použil katodové paprsky k vytvoření umělých polárních světel v laboratoři a dospěl k závěru, že aurora borealis je způsobena elektricky nabitými částicemi ze slunce, které jsou vedeny do polární atmosféry geomagnetickým polem kolem Země. Byl také toho názoru, že atmosféra se skládala z obrovského množství elektrických částic.

” Birkelandova teorie polární záře byla založena na elektromagnetických silách ve vesmíru, od slunce. Jak na tento nápad přišel, je stále záhadou. Birkelandovy hypotézy se potvrdily až v kosmickém věku, asi o šedesát let později. I dnes, více než padesát let po úsvitu kosmického věku, je jeho vizionářská prozíravost působivá, ” říká Egeland.

teprve v 70. letech, v době, kdy bylo možné provádět přesná měření prostřednictvím satelitů, se Birkelandovy teorie ukázaly jako správné. Částice ze slunečních bouří zasáhnou zemi násilnou silou. Částice jsou zpomaleny ionosférou. Toto tření přenáší tolik energie na částice v atmosféře, že se rozsvítí.

než Birkeland dorazil na scénu, mnoho vědců si myslelo, že Aurora Borealis byla způsobena zvláštním polárním zářením, částicemi obsahujícími železo, místními elektrickými proudy v atmosféře nebo meteorickým prachem.

“ačkoli Birkelandova hypotéza byla první realistickou teorií týkající se polární záře, vysvětlení různých tvarů, barev, pohybů a nadmořských výšek polární záře muselo být ponecháno vědcům vesmírného věku.”

Birkeland zažil během svého života velmi malou podporu, zejména od předních vědců v Anglii. Nebyli přesvědčeni, že Slunce je zdrojem polárních světel. Vrátíme se k této obrovské kritice níže.

Toto je příběh popisující, jak renomovaní vědci vykopávají nohy z inovativních myšlenek, které se odchylují od obecně přijímaných běžných představ. Ale nejprve si užijte některé zábavné detaily založené na jeho experimentech.

znovu vytvořil vesmír

Birkeland provedl reprodukce sluneční soustavy a země ve vakuové komoře. Tito byli nazýváni experimenty Terrella. Termín terrella je Latina a znamená “malý model Země”.

” experimenty byly časově náročné. Vytvoření vakua v komoře trvalo několik dní. Do terrelly umístil elektromagnet. Díky tomu dokázal vyrobit umělé polární záře. Ale v anekdotě o Birkelandu jsou některé mylné představy. První experimenty zahrnující umělé polární záře byly provedeny uvnitř výbojkové trubice, ” upozorňuje Alv Egeland.

během následujících let vytvořil Birkeland novější a lepší terely.

“experimenty byly brilantní, v neposlední řadě s přihlédnutím k tomu, že věda v té době nedefinovala elektrony jako samostatné částice,” vysvětluje profesor Jøran Moen na Katedře fyziky.

hmotnost vesmíru v největším modelu terella byla přibližně 1000 litrů. Birkeland střílel mraky elektronů na “Zemi” elektrickým proudem z generátoru. Napětí bylo 25 000 V. To je více než stokrát vyšší napětí ve vaší domácí zásuvce.

“Birkeland se postupně stále více zajímá o slunce, komety, prstence Saturnu, vesmír a původ fyzického světa,o kterém hodně psal ve svém 850stránkovém hlavním výzkumném příspěvku,” říká Alv Egeland.

jeho zkušenosti nebyly zdaleka levnou zábavou. Byly nákladné provádět. Byla to doba, kdy Norsko bylo chudou zemí a Univerzita měla málo peněz.

” jeho mzdy z univerzity byly nedostatečné. Většinu nákladů Hradil sám a své osobní výdělky z Hydro utratil za financování laboratoře a mzdy za šest až osm asistentů, které zaměstnával. Rektor univerzity v Oslu Sem Sæland, předsedající v letech 1928 až 1936, by řekl, že žádný jiný zaměstnanec nikdy neutratil tolik svého vlastního platu za výzkum, který sám provedl.”

namáhavá zima

jedním z největších přání Birkelanda bylo určit nadmořskou výšku polární záře. Bylo to v době, kdy se předpokládalo, že polární záře sestoupí až na úroveň koruny stromů v Lapplandu. Dnes víme, že polární záře vzniká několik set kilometrů nad zemí.

aby to zjistil, Birkeland nechal postavit výzkumnou stanici na vrcholu sámské “posvátné hory” Haldde, téměř tisíc metrů nad mořem s výhledem na Kåfjord v Altě.

výstup byl namáhavý. V době, kdy, trek pěšky trval asi čtyři hodiny. Když se snažili najít nejvhodnější vrchol pro novou observatoř, přiblížili se k zahynutí ve vánici.

Brikeland strávil zimu na vrcholu Haldde se dvěma asistenty. Tam byly bouře nebo hurikán vichřice každý druhý den. Několik jejich vědeckých přístrojů bylo zničeno a muselo být opraveno. Obrácení toku kouře z uhelných kamen by naplnilo obydlí výpary. Pohybovali se z místa na místo na lyžích, sněžnicích a mačkách, když byly podmínky ledové. Jeden z asistentů zemřel v březnu v lavině.

o deset let později postavil Birkeland pohodlnější a větší observatoř na vrcholu hory Haldde. V letech 1912-1919 žilo na hoře sedmnáct osob, z toho sedm dětí. Tři z nich se tam narodili.

během tohoto období byly výzkumné stanice využívány také pro meteorologická pozorování. Ačkoli polární záře nikdy nespásla vrchol hory, Birkeland pokračoval ve svém výzkumu neúnavně as obnovenou vytrvalostí.

ohlušující hluk

jedním z jeho velkých zdrojů hrdosti bylo elektrické dělo, které vyrobil. Měla být vystřelena, ale místo střelného prachu používala elektřinu. Deset kilo železa bylo vytlačeno z úst děla takovou rychlostí, že vystoupily silou kulek.

německý Kaiser Wilhelm doufal, že vynález způsobí revoluci ve válčení. Francouzské ministerstvo války se velmi zajímalo o Birkelandovo dělo.

kanón byl veřejně testován v roce 1903 ve ctihodném banketovém sále, nyní známém jako starý banketový sál v budově Domus Academica na bráně Karla Johana. Zkušební palba byla neúspěšná, ale znamenala začátek největšího průmyslového dobrodružství v historii Norska.

byla velká očekávání. Banketová hala byla plná hostů. Byli přítomni dva ministři kabinetu a zástupci průmyslu-spolu s agenty z mezinárodního zbrojního průmyslu. Fridtjof Nansen pozorně sledoval řízení z první řady.

“projektil, který měl být vystřelen z děla, vážil deset kilogramů” Birkeland ujistil shromáždění: “můžete sedět klidně, dámy a pánové. Když zapnu spínač, neuvidíte ani neslyšíte nic jiného než zvuk projektilu, který zasáhne cíl.”Pak přepnul přepínač,” popisuje Egeland ve své knize s názvem Přírodní vědec a průmyslový výzkumník Kristian Birkeland.

došlo k ohlušujícímu, praskajícímu a prskajícímu rozruchu.

kanón byl zkratován. Z úst děla chrlily plameny. Některé ženy vykřikly a “vykřikly ze strachu” a na chvíli se v hale objevily známky paniky..

” byl to nejdramatičtější incident v mém životě. Při té jediné střele se moje akcie propadly ze 300 na nulu, ale projektil zasáhl cíl, ” komentoval poté Birkeland.

když ještě téhož dne testoval dělo, vše fungovalo tak, jak bylo zamýšleno.

” pozornost přitahovaná událostí byla předvídatelně negativní, ale Birkeland získal značné potěšení z rozruchu,” říká Alv Egeland.

elektrické peklo, které vystřelilo z děla, mělo teplotu více než tisíc stupňů a později bylo nazýváno Birkelandovým “plazmovým obloukem”.

vysoká teplota je způsobena elektricky nabitými částicemi střílejícími tam a zpět vysokou rychlostí.

” elektrony v pohybu vedou k intenzivním elektrickým proudům obklopeným magnetickým polem. To se podobá sluneční větrné plazmě ve vesmíru.”

Birkeland brzy pozoroval neočekávané. V magnetickém poli cívky se elektrický oblouk ze zkratu rozprostírá ve fantailovém tvaru – a zde leží Birkelandův objev.

” fiasko bylo zapomenuto. Od tohoto okamžiku se Birkeland zajímal o elektrický oblouk, ” píše Alv Egeland.

zakladatel Norsk Hydro

experiment cannon vedl k neočekávaným důsledkům. O několik let dříve britský vědec Sir William Crookes upozornil vědeckou komunitu na nedostatek dusičnanu vápenatého na světě, jedné z hlavních složek při výrobě hnojiv. Crookeova myšlenka byla, že řešení pro výrobu hnojiva by mohlo mít rád získávání dusíku přímo ze vzduchu. Myslel si, že to bude jeden z největších vynálezů v budoucnu a mohl by zachránit svět před hrozícím hladomorem.

neúspěšná střelba z děla v úctyhodné staré banketové hale se stala přesně základem moderní výroby hnojiv.

tvar světelného oblouku potvrdil některé teorie, které Birkeland již vymyslel.

světelný oblouk byl schopen přerušit trojnou vazbu v molekulách dusíku. Plamen podobný hořáku produkoval oxid dusíku, který je základní sloučeninou v ledku a klíčovým prvkem hnojiva.

vědci a průmyslníci po celém světě hledali řešení. Birkeland je všechny vyrazil na místo.

objev byl základním kamenem při založení společnosti Norsk Hydro. Umělá výroba ledku vyžadovala obrovské množství energie. Norsko bylo bohatě obdařeno vodopády. V důsledku toho byla cena elektřiny nízká.

” to je fantastický příběh. Norsk Hydro by možná nikdy neviděl denní světlo bez náhodného výbuchu Ve staré banketové hale. Takový je svět výzkumu. Nápady se najednou prostě objevují, ” říká solární výzkumník Pål Brekke, vedoucí poradce norského vesmírného centra.

ačkoli neúspěšný experiment ve starém banketovém sále se zapsal do historických knih přesně v den, kdy došlo k Birkelandovi, Alv Egeland poukazuje na to, že Birkeland pravděpodobně již přemýšlel o myšlence před neúspěšnou demonstrací.

Birkeland se setkal s průmyslovým podnikatelem Samem Eydem na večeři pořádané ministrem vlády Gunnarem Knudsenem tři týdny před zkratovou nehodou v Domus Academica.

” Sam Eyde byl impozantní hnací silou. Už jednal s Němci o výrobě hnojiva z atmosféry.”

Sam Eyde a Birkeland se okamžitě vzali k sobě. Birkeland začal okamžitě provádět experimenty na univerzitě.

v té době byl Eyde jedním z nejslavnějších norských mužů. Média ho pozorně sledovala.

” byl si dobře vědom toho, jak vydělat na události.”

výbuch ve staré banketové hale byl lákavou návnadou pro média.

v každém případě, když objev začal přinášet ovoce,

“Birkelandův objev a spolupráce s Eyde znamenaly začátek průmyslové bonanzy atNotodden a Rjukan. Eyde se stal “královskou hodností” v Rjukanu a byl mnohokrát slavnější než Birkeland, ” zdůrazňuje Alv Egeland.
smutný osud

během posledních pěti let Birkelandova života byl fascinován zvěrokruhovým světlem, zvláštním třpytivým světlem na rovníku, které je pouze jednou miliontinou svítivosti úplňku. Birkeland dokázal prokázat, že světlo bylo způsobeno katodovými paprsky ze slunce. Měl představu, že světlo se mění v poměru se sluneční aktivitou as poruchami magnetického pole Země.

po dlouhém pobytu v Africe toužil po návratu do Norska, ale v této době zuřila první světová válka. Proto udělal okliku přes Tokio, kde měl blízké kolegy a přátele.

Birkeland byl duševně nevyvážený a pouhých padesát let, když ukončil svůj život v japonském hlavním městě. Po jeho smrti byl téměř úplně zapomenut, dokud moderní průzkum vesmíru ke konci šedesátých let neumožnil prokázat Birkelandovy teorie o polární záři.

” Birkeland představoval horní kůru norské vědecké komunity. Jako otevřený vizionář se setkal s odporem, zejména mezi mainstreamovými britskými vědci. Jednou z nevýhod pro Birkeland bylo, že většina jeho vědeckých prací byla napsána ve francouzštině-ne v angličtině.”

britský výsměch

po Birkelandově smrti nesly jeho teorie nápor těžké kritiky anglické Akademie věd, Královské společnosti. Frontovým kritikem byl profesor Sydney Chapman, brilantní matematik a fyzik, stejně jako největší Vesmírný výzkumník 20. století.

Britové nesouhlasili s Birkelandovou teorií o polárních světlech a místo toho podporovali představu, že jsou způsobeny systémem lokálních elektrických proudů v horní atmosféře.

” když vědci z Královské společnosti hovořili, bylo jen málo lidí, kteří se odvážili zpochybnit to, co řekli, podle Alv Egelanda, který se na konci 50. let specializoval na fyziku.”

během této éry všichni odkazovali na Chapmana a britskou školu. Chapmanovy spisy byly na osnově na univerzitě v Oslu. Birkelandova aurorální teorie a terrellas byly sotva zmíněny. Jeho teorie byly prakticky zesměšňovány.

” Chapman byl génius výzkumníka a vysoce respektovaný,ale odmítl tolerovat teorii, která nemohla být prokázána. Před příchodem satelitů nebylo možné provést zkušební měření ve vesmíru. Birkelandův genius spočíval v simulaci; zatímco Chapman a všichni ostatní založili své teorie na méně pozorováních a statistických modelech, Birkeland simuloval prostor v laboratoři. Nikdo před ním to neudělal.”

v roce 1967, století po narození Kristiana Birkelanda, uspořádala Mezinárodní asociace geomagnetismu a Aeronomie (IAGA) první Birkelandovo sympozium v Sandefjordu.

Celkem 170 vědců z celého světa diskutovalo o nejnovějších úspěších v oblasti, ve které byl Birkeland průkopníkem.

bylo navrženo označit zdroj polárních světel jako “Birkelandské proudy”.

” hlavní host, Chapman, zahájil sympozium. Mysleli jsme si, že Birkelanda pochválí, ale nevyjádřil se příliš diplomaticky a řadu posluchačů šokoval. O Birkelandově výzkumu nebyl schopen říci nic pozitivního. Podle jeho názoru Birkeland vytvořil směs faktů a chyb.”

první pozorování ze satelitů již byla zaznamenána, ale kvalita dat byla stále nedostatečná.

Britská škola přijala důkaz, že elektrické proudy tekly způsobem, který Birkeland teoretizoval před 60 lety.

” co měl Chapman na srdci?”

” chvíli to trvalo, ale nakonec se omluvil za to, že se mýlil. Jeho komentáře k Birkelandu se staly méně kritickými a stále více vědců začalo Birkelandovo vysvětlení přijímat. O několik let později Chapman napsal, že Birkeland dosáhl významného pokroku při vysvětlování polární záře a magnetických bouří, ” líčí Egeland.

uplynulo období šedesáti let od doby, kdy Birkeland pokročil ve své teorii polární záře, dokud nebyla teorie prokázána.

“až do té doby vědci uznali skutečnost, že Birkeland měl po celou dobu pravdu,” říká Pål Brekke.

nominován na Nobelovu cenu

Kristian Birkeland byl nominován na Nobelovu cenu osmkrát, čtyřikrát v chemii a čtyřikrát ve fyzice. Cenu však nikdy nezískal. Pro Birkelanda bylo nešťastné, že Sam Eyde trval na tom, že Birkeland bude muset s ním sdílet Nobelovu cenu. To vyloučilo jakoukoli šanci na získání ceny.

” Sam Eyde nebyl vědec,ale navzdory tomu byl mnohem více posedlý získáním ceny než Birkeland. Eyde také cítil, že pokud nemůže mít cenu, bylo nejlepší, kdyby ji Birkeland nedostal.
nicméně, v roce 1994, Birkeland byl zaslouženě poctěn. Jeho portrét byl vybrán pro přední stranu norské bankovky 200 korun.”

Birkelandovo dědictví

Profesor Jøran Moen, který v současné době zastává Birkelandovu profesuru, je jedním z předních norských vědců polární záře a horních oblastí zemské atmosféry.

” vesmírný výzkum prokázal, že Birkeland byl neuvěřitelně vizionář. Jeho hypotézy o slunci a vesmíru byly předmětem velké pozornosti poté, co satelity začaly odhalovat mnoho tajemství vesmíru, ” upozorňuje Jøran Moen.

” fascinovala mě sluneční terrestiální vazba a Birkelandova osobní historie. Právě on inspiroval Norský zájem o solární výzkum, ” říká Pål Brekke.

dnes probíhají studie atmosféry na univerzitách v Oslu a Tromsø, v Birkelandově centru v Bergenu a Univerzitním centru na Špicberkách (UNIS). Andøya Space Center na nejvzdálenějším pobřeží oceánu ve Vesterålenu je také důležitým přispěvatelem. Výzkumné rakety jsou vypuštěny a používají se k měření toho, jak slunce ovlivňuje atmosféru na Zemi.

“to vše může souviset s Birkelandem,” poznamenává Pål Brekke a dodává, že Norsko – díky časnému úsilí země v oblasti solárního výzkumu-přispělo k satelitu Soho NASA, který po 22 letech stále krouží kolem Slunce, Japonský satelit Hinode a americký satelit IRIS. Ústav teoretické astrofyziky v UiO je držitelem dat z těchto satelitů poté, co byly informace získány z vesmíru prostřednictvím obrovských antén ve Svalsatu na Svalbardu.

skutečnost, že Norsko by se mělo stát vedoucím národem ve sluneční fyzice, nebyla předvídatelným vývojem, ale Norsko těžilo z Birkelandova dědictví. Vlastníme celý hrnec medu, přemítá Pål Brekke.

lidstvo používá stále více technologií, které jsou zranitelné vůči slunečním bouřím. Když jsou polární záře násilně aktivní, má to dopad na naše navigační systémy.

naším velkým snem je navrhnout meteorologické stanice ve vesmíru, které mohou předpovídat časy, kdy lze důvěřovat navigaci.

” Birkeland byl v této souvislosti velmi důležitý. Založil první vesmírný výzkum v Norsku. Protože Norsko má obzvláště dobré umístění, které nám umožňuje pokrýt celý denní cyklus polárních světel, s noční polární záři v Tromsø a denní polární záři na Špicberkách, měli jsme vynikající podmínky pro pokračování v jeho práci, ” uvádí Jøran Moen.

dodává, že Birkeland a jeho spolupracovníci byli prvními vědci, kteří viděli potřebu kombinovat teorii, experimentování a výpočty. V naší moderní době jsou tyto věci nyní považovány za samozřejmost ve všech přírodovědných oborech.

stále nevyřešený problém

ačkoli je to nyní sto let od smrti Kristiana Birkelanda, všechny fyzikální mechanismy v atmosféře ještě nejsou plně pochopeny.

jednou z největších výzev je, jak vysvětlit turbulence v plazmě. Plazma je plyn s nabitými atomy. Celá ionosféra, která je nejvzdálenější vrstvou exosféry, se skládá z plazmy. Plazma je ovlivněna elektromagnetickými poli.

když sluneční bouře prší na Zemi, způsobují turbulence v plazmě. To zase mění směr rádiových a GPS signálů. Abychom mohli předpovědět, jak bude počasí ve vesmíru, musíme pochopit, jak se turbulence chová.

sluneční bouře obsahují velké množství energie.

” Turbulence je jedním ze způsobů, jak rozložit energii. Energie nikdy nezmizí, ale neustále se mění, například do vln, nestability nebo tepla. Bohužel je to základní problém klasické fyziky a my tomu úplně nerozumíme,” přiznává Jøran Moen.

Turbulence není možné studovat odtud na Zemi. Satelity jsou navíc na oběžné dráze příliš vysoko ve vesmíru. Řešením je proto měřit turbulence pomocí raket. Během posledních let Moen vypustil řadu raket.

jedna raketa vrací měření pouze po jedné trajektorii.

” potřebujeme trojrozměrná měření.”

aby to vyřešil, Jøran Moen – ve spolupráci s NASA-nyní vypustí čtyři paralelní rakety současně. Budou spuštěny na přelomu let 2018-2019.

” co by Birkeland udělal, kdyby byl dnes naživu?”

” hodně jsem o tom přemýšlel. S největší pravděpodobností by pokračoval ve výzkumu elektromagnetismu, protože je to pole, které ještě zbývá vyřešit mnoho hádanek.”

” abychom pochopili extosféru (zemskou atmosféru), musíme pochopit více o jejím spojení se sluneční atmosférou. Naše chápání slunce stále chybí a stále nemůžeme předpovědět počasí ve vesmíru. Jakmile to všechno pochopíme, budeme také schopni porozumět atmosféře na jiných planetách, ” uzavírá Jøran Moen.

související obsah

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.