Kongen af nordlys

denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på Apollon – forskning magasin fra universitetet i Oslo. Læs den oprindelige artikel.

Norsk professor Kristian Birkeland (1867-1917) var den allerførste videnskabsmand i verden, der indså, at nordlyset havde noget at gøre med de elektromagnetiske storme fra solen. Han var også manden bag den fantastiske opfindelse, der muliggjorde fremstilling af gødning ved at høste kvælstof fra luften. Opdagelsen var grundlaget for grundlæggelsen af Norsk Hydro og den industrielle bonante ved Notodden og Rjukan. Sidst, men ikke mindst: Birkeland var ansvarlig for 60 nye patenter på alt fra margarine og kaviar til en elktromagnetisk kanon. Men vigtigst fra vores perspektiv i dag er måske, at han lagde grundlaget for meget af den moderne forskning udført inden for rum-og solfysik.

på trods af Birkelands banebrydende opfindelser blev han alligevel næsten henvist til glemsel. Desværre var han ikke i stand til at bevise sine spektakulære teorier vedrørende nordlyset. Internationale forskere af statur protesterede højlydt mod Birkelands teorier. Fyrre år efter hans død blev han næppe nævnt i de lærebøger, der blev brugt ved Universitetet i Oslo (UiO). Det var først senere, da det blev muligt at udføre målinger fra satellitter i rummet, at hans nordlys – og forstyrrelser i jordens magnetfeltteorier blev bekræftet.

apollon logo

apollon logo

i de sidste tyve år har hans ansigt prydet den norske 200-kroneseddel, selvom få mennesker har lagt stor vægt på figuren på den meget anvendte seddel.

UiO planlægger nu at fejre professorens og opfinderens 150-års jubilæum med en række begivenheder i både Norge og Japan.

selvom Birkeland begynder at blive anerkendt og er blevet genstand for meget skrivning, er der stadig mange anekdoter fra hans liv som forsker, som offentligheden endnu ikke har hørt.

en videnskabelig guldmine

en person, der ved meget om Birkeland, er Professor Emeritus Alv Egeland (85) Fra Depatment of Physics. Egeland var for 50 år siden involveret i at arrangere hundredeårsfesten til ære for Birkeland i 1967. Han har også skrevet flere bøger om Birkeland.

de skotske og tyske fysikere (1831-1879) og Heinrich Herts (1857-1879).var to inspirationskilder til Birkeland. Begge var førende myndigheder inden for elektromagnetisme. Han var teoretiker. Han beskrev, hvordan elektromagnetiske bølger bevæger sig og spredes. Jørgen var eksperimentator. Det lykkedes ham at teste hans teorier i praksis.

“elektromagnetisme blev en nyfunden guldmine for unge Birkeland. Allerede som skoledreng havde han købt sin egen magnet-med sine egne penge. Han brugte magneten til mange overraskende eksperimenter og praktiske vittigheder under skoletimer. Ikke alle Birkelands lærere var imponerede over hans eksperimenter.”

senere i livet, fortæller Alv Egeland, Birkelands studier af elektromagnetisme og Jordens magnetfelt ville blive de vigtigste bidrag fra hans forskning.
så snart Birkeland var uddannet fra universitetet, begyndte han at eksperimentere med elektriske svingninger langs en metaltråd.

i 1895 begyndte han pionerundersøgelser af katodestråler, en strøm af elektroner i et vakuumrør, der opstår gennem højspænding, der passerer mellem negative og positive ladede elektroder.

” Birkeland konkluderede, at katodestrålerne består af elektrisk ladede partikler og kan styres af et magnetfelt.”

skabte kunstige nordlys

i løbet af det næste år blev Birkeland interesseret i forbindelsen mellem solpletter og nordlys. Han brugte katodestråler til at skabe kunstige nordlys i et laboratorium, og han konkluderede, at aurora borealis er forårsaget af elektrisk ladede partikler fra solen, der ledes ind i den polære atmosfære af det geomagnetiske felt rundt om Jorden. Han var også af den opfattelse, at atmosfæren bestod af et stort antal elektriske partikler.

” Birkelands nordlyssteori var baseret på elektromagnetiske kræfter i rummet, fra solen. Hvordan han kom på ideen er stadig et mysterium. Birkelands hypoteser blev ikke bekræftet før rumalderen, nogle tres år senere. Selv i dag, mere end halvtreds år efter rumalderens begyndelse, er hans visionære fremsynethed imponerende,” siger Egeland.

det var først i 1970 ‘ erne, på et tidspunkt, hvor det var muligt at foretage nøjagtige målinger via satellitter, at Birkelands teorier viste sig at være korrekte. Partikler fra solstorme rammer jorden med voldelig kraft. Partiklerne sænkes af ionosfæren. Denne friktion overfører så meget energi til partiklerne i atmosfæren, at de lyser op.

før Birkeland ankom til scenen, troede mange forskere, at Aurora Borealis var forårsaget af en særlig nordlysgas, partikler indeholdende jern, lokale elektriske strømme i atmosfæren eller meteorstøv.

“selvom Birkelands hypotese var den første realistiske teori om nordlyset, måtte forklaringen på nordlysets forskellige former, farver, bevægelser og højder overlades til rumalderforskere.”

Birkeland oplevede meget lidt støtte i løbet af sin levetid, især fra de førende forskere i England. De var ikke overbeviste om, at solen var kilden til nordlyset. Vi vil vende tilbage til denne enorme kritik nedenfor.

dette er en fortælling, der beskriver, hvordan berømte forskere sparker benene ud under innovative ideer, der afviger fra almindeligt accepterede, almindelige forestillinger. Men først, lad os nyde nogle underholdende detaljer baseret på hans eksperimenter.

genskabt universet

Birkeland lavede reproduktioner af solsystemet og jorden i et vakuumkammer. Disse blev kaldt Terrella-eksperimenterne. Terrella er Latin og betyder ‘en lille model af jorden’.

” eksperimenterne var tidskrævende. Det tog flere dage at skabe et vakuum i kammeret. Han placerede en elektromagnet inde i terrella. Med dette var han i stand til at producere kunstige nordlys. Men der er nogle misforståelser i anekdoten om Birkeland. De første eksperimenter, der involverede kunstige nordlys, blev udført inde i et udløbsrør,” påpeger Alv Egeland.

i de efterfølgende år lavede Birkeland nyere og bedre terellaer.

“eksperimenterne var strålende, ikke mindst under hensyntagen til, at videnskaben på det tidspunkt ikke havde defineret elektroner som separate partikler,” forklarer Professor J.

universets masse i den største terella-model var ca.1000 liter. Birkeland skød skyer af elektroner på “jorden” med elektrisk strøm fra en generator. Spændingen var 25.000 V. Det er mere end hundrede gange spændingen i din husstand stikkontakt.

“Birkeland bliver gradvist mere og mere interesseret i solen, kometerne, Saturns ringe, det ydre rum og oprindelsen af den fysiske verden, som han skrev meget om i sit 850 siders store forskningsbidrag,” siger Alv Egeland.

hans oplevelser var langt fra et billigt tidsfordriv. Det var dyrt at opføre sig. Det var en tid, hvor Norge var et fattigt land, og universitetet havde lidt penge.

” hans løn fra universitetet var utilstrækkelig. Han dækkede selv størstedelen af omkostningerne, og han brugte sin personlige indtjening fra Hydro til at finansiere laboratoriet og lønningerne for de seks til otte assistenter, han beskæftigede. Oslo Universitets rektor Sem S. S., formand fra 1928 til 1936, ville sige, at ingen anden medarbejder nogensinde havde brugt så meget af sin egen løn på forskning, han selv udførte.”

anstrengende vinter

et af Birkelands største ønsker var at bestemme nordlysets højde. Der var i en æra, hvor nordlyset blev anset for at falde helt ned til trætopniveau i Lappland. Vi ved i dag, at nordlyset er skabt flere hundrede kilometer over jordoverfladen.

for at opdage dette, Birkeland havde en forskningsstation bygget på toppen af Samis’ “hellige Bjerg” Haldde, på næsten tusind meter over havets overflade med udsigt over K Kursfjord i Alta.

opstigningen var anstrengende. På det tidspunkt tog turen til fods cirka fire timer. Da de forsøgte at finde det bedst egnede topmøde til et nyt observatorium, kom de tæt på at omkomme i en snestorm.

Brikeland tilbragte vinteren på toppen af Haldde med to assistenter. Der var storme eller orkaner hver anden dag. Flere af deres videnskabelige instrumenter blev ødelagt og måtte repareres. Røgstrømning vending fra kul komfur ville fylde boligen med dampe. De flyttede fra sted til sted på ski, snesko og stegjern, når forholdene var iskolde. En af assistenterne døde i en lavine i Marts.

ti år senere byggede Birkeland et mere komfortabelt og større observatorium på toppen af Mount Haldde. I perioden 1912-1919 boede sytten Personer på bjergtoppen, syv af dem børn. Tre af disse blev født deroppe.

i denne periode blev forskningsstationerne også brugt til meteorologiske observationer. Selvom nordlyset aldrig engang græssede bjergtoppen, fortsatte Birkeland sin forskning utrætteligt og med fornyet udholdenhed.

øredøvende støj

en af hans store kilder til stolthed var en elektrisk kanon, han lavede. Det var meningen at blive fyret, men ved hjælp af elektricitet i stedet for krudt. Ti kilo jernstykker blev fremdrevet ud af kanonens mund med en sådan hastighed, at de gik ud med kuglens kraft.

Kaiser Vilhelm fra Tyskland håbede, at opfindelsen ville revolutionere krigsførelse. Det franske krigsministerium var meget interesseret i Birkelands kanon.

kanonen blev offentligt testet i 1903 i den ærværdige festsal, nu kendt som den gamle festsal i Domus Academica-bygningen på Karl Johan gate. Testskydningen var en fiasko, men det markerede begyndelsen på det største industrielle eventyr i Norges historie.

der var store forventninger. Festlokalet var fyldt med gæster. To kabinetsministre og repræsentanter for industrien var til stede – sammen med agenter fra den internationale våbenindustri. Fridtjof Nansen observerede sagen opmærksomt fra første række.

“projektilet, der skal affyres fra kanonen, vejede ti kilo” Birkeland beroligede forsamlingen: “du kan sidde roligt, mine damer og herrer. Når jeg tænder for kontakten, vil du hverken se eller høre andet end lyden af projektilet, der rammer målet.”Han vendte derefter kontakten, fortæller Egeland i sin bog med titlen naturforsker og Industriforsker Kristian Birkeland.

der var en øredøvende, knitrende og sputtering uro.

kanonen havde kortsluttet. Flammer sprang ud af kanonens mund. Nogle kvinder skreg og “skreg af frygt”, og et øjeblik var der tegn på panik i hallen..

” det var den mest dramatiske hændelse i mit liv. Med det enkelt skud faldt mine aktier fra 300 til nul, men projektilet ramte målet,” kommenterede Birkeland bagefter.

da han havde testet kanonen tidligere samme dag, havde alt fungeret efter hensigten.

“opmærksomheden tiltrukket af begivenheden var forudsigeligt negativ, men Birkeland fik betydelig glæde ud af oprøret,” siger Alv Egeland.

det elektriske inferno, der skød ud af kanonen, havde en temperatur på mere end tusind grader og blev senere kaldt Birkelands ‘plasmabue’.

den høje temperatur skyldes elektrisk ladede partikler, der skyder frem og tilbage ved høj hastighed.

” elektroner i bevægelse resulterer i intense elektriske strømme omgivet af et magnetfelt. Dette ligner et solvindplasma i kosmos.”

Birkeland observerede snart det uventede. I spolens magnetfelt spredte den elektriske lysbue fra kortslutningen sig i en fantailform-og heri ligger Birkelands opdagelse.

” fiaskoen blev glemt. Fra dette tidspunkt var Birkeland interesseret i lysbuen,” skriver Alv Egeland.

grundlægger af Norsk Hydro

kanoneksperimentet førte til uventede konsekvenser. Nogle år tidligere havde den britiske forsker Sir Vilhelm Crookes advaret det videnskabelige samfund om manglen på calciumnitrat i verden, en af hovedingredienserne i fremstillingen af gødning. Crookes ide var, at en løsning til fremstilling af gødning kunne være glad for at hente kvælstof direkte fra luften. Han troede, at dette ville være en af de største opfindelser i fremtiden og kunne redde verden fra forestående hungersnød.

den mislykkede kanonskydning i den ærværdige gamle festsal blev netop grundlaget for moderne gødningsproduktion.

lysbuens form bekræftede nogle af de teorier, som Birkeland allerede havde udtænkt.

lysbuen var i stand til at bryde den tredobbelte binding i nitrogenmolekylerne. Den fakkellignende flamme producerede kvælstofilter, som er den grundlæggende forbindelse i saltpetre og et nøgleelement i gødning.

forskere og industriister over hele verden havde været på jagt efter en løsning. Birkeland pippede dem alle på posten.

opdagelsen var en hjørnesten i grundlæggelsen af Norsk Hydro. Kunstig produktion af saltpetre krævede enorme mængder energi. Norge var rigt udstyret med vandfald. Derfor var prisen på elektricitet lav.

” dette er en fantastisk historie. Norsk Hydro ville måske aldrig have set dagens lys uden den utilsigtede eksplosion i den gamle festsal. Sådan er forskningens verden. Ideer opstår pludselig ganske enkelt, ” siger solforsker P Larsl Brekke, seniorrådgiver ved det norske Rumcenter.

selvom det mislykkede eksperiment i den gamle festsal er gået ned i historiebøgerne som netop den dag ideen opstod for Birkeland, påpeger Alv Egeland, at Birkeland muligvis allerede havde tænkt på ideen inden den mislykkede demonstration.

Birkeland mødte industriel iværksætter Sam Eyde ved en middag, der var vært for kabinetsminister Gunnar Knudsen tre uger før kortslutningsulykken i Domus Academica.

” Sam Eyde var en formidabel drivkraft. Han forhandlede allerede med tyskerne om at fremstille gødning fra atmosfæren.”

Sam Eyde og Birkeland tog straks hinanden. Birkeland begyndte straks at udføre eksperimenter på universitetet.

på det tidspunkt var Eyde en af Norges mest berømte mænd. Medierne fulgte ham tæt.

“han var godt klar over, hvordan man kunne udnytte en begivenhed.”

eksplosionen i den gamle festsal var lokkende agn for medierne.

under alle omstændigheder, da opdagelsen begyndte at bære frugt,

“Birkelands opdagelse og samarbejde med Eyde markerede starten på den industrielle bonante atNotodden og Rjukan. Eyde blev “royalty” på Rjukan og var mange gange mere berømt end Birkeland, ” understreger Alv Egeland.
trist skæbne

i løbet af de sidste fem år af Birkelands liv blev han fascineret af stjernetegn, et ejendommeligt glitrende lys ved ækvator, der kun er en milliontedel af fuldmånens lysstyrke. Birkeland var i stand til at fastslå, at lyset var forårsaget af katodestråler fra solen. Han havde en forestilling om, at lyset varierede i forhold til solaktivitet og med forstyrrelser i Jordens magnetfelt.

efter et længere ophold i Afrika længtes han efter at vende tilbage til Norge, men på dette tidspunkt rasede Første Verdenskrig. Derfor lavede han en omvej via Tokyo, hvor han havde nære kolleger og venner.

Birkeland var mentalt ubalanceret og kun halvtreds år gammel, da han sluttede sit liv i den japanske hovedstad. Efter hans død blev han næsten helt glemt, indtil moderne rumforskning mod slutningen af 1960 ‘ erne gjorde det muligt at bevise Birkelands teorier om nordlyset.

“Birkeland repræsenterede den øverste skorpe i det norske videnskabelige samfund. Som en åbenlyst visionær mødte han modstand, især blandt de almindelige britiske forskere. En ulempe for Birkeland var, at de fleste af hans videnskabelige artikler var skrevet på Fransk – ikke på engelsk.”

Britisk latterliggørelse

efter Birkelands død bar hans teorier hovedparten af hård kritik fra det engelske videnskabsakademi, Royal Society. Frontlinjekritikeren var Professor Sydney Chapman, en strålende matematiker og fysiker, såvel som den største rumforsker i det 20.århundrede.

briterne var uenige med Birkelands teori om nordlyset og støttede i stedet forestillingen om, at de var forårsaget af et system med lokale elektriske strømme i den øvre atmosfære.

“da forskere fra Royal Society talte, var der få, der turde bestride, hvad de sagde, ifølge Alv Egeland, der selv studerede fysik i slutningen af 1950′ erne.”

i løbet af denne æra henviste alle til Chapman og British school. Chapmans skrifter var på pensum ved Universitetet i Oslo. Birkelands auroral teori og terrellas blev næppe nævnt. Hans teorier blev næsten latterliggjort.

” Chapman var et geni af en forsker og højt respekteret, men han nægtede at tolerere en teori, der ikke kunne bevises. Det var umuligt at tage testmålinger i det ydre rum før fremkomsten af satellitter. Birkelands geni bestod i simulering; mens Chapman og alle de andre baserede deres teorier på færre observationer og statistiske modeller, simulerede Birkeland plads i et laboratorium. Ingen før ham havde gjort dette.”

i 1967, et århundrede efter Kristian Birkelands fødsel, arrangerede International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) det første Birkeland-Symposium i Sandefjord.

i alt 170 forskere fra hele verden diskuterede de seneste resultater på det område, hvor Birkeland havde været pioner.

det blev foreslået at udpege kilden til nordlyset som “Birkeland-strømme”.

“keynote-gæsten, Chapman, åbnede symposiet. Vi troede, at han ville rose Birkeland, men han udtrykte sig ikke meget diplomatisk, og han chokerede mange af lytterne. Han kunne ikke sige noget positivt om Birkelands forskning. Efter hans mening havde Birkeland produceret en blanding af fakta og fejl.”

de første observationer fra satellitter blev allerede registreret, men kvaliteten af dataene var stadig utilstrækkelig.

det var først i begyndelsen af 1970 ‘ erne, at den britiske skole accepterede beviset for, at de elektriske strømme flød på den måde, Birkeland havde teoretiseret 60 år tidligere.

“hvad havde Chapman at sige da?”

“det tog et stykke tid, men han undskyldte endelig for at have taget fejl. Hans kommentarer om Birkeland blev mindre kritiske, og flere og flere forskere begyndte at acceptere Birkelands forklaring. Et par år senere skrev Chapman, at Birkeland havde opnået vigtige fremskridt med at forklare nordlys og magnetiske storme,” fortæller Egeland.

en periode på tres år var gået fra det tidspunkt, hvor Birkeland avancerede sin nordlyssteori, indtil teorien blev bevist.

“det var først da, at forskerne erkendte, at Birkeland havde haft ret hele tiden,” siger P.

nomineret til Nobelprisen

Kristian Birkeland blev nomineret til Nobelprisen otte gange, fire gange i Kemi og de andre fire gange i fysik. Han blev dog aldrig tildelt prisen. Det var uheldigt for Birkeland, at Sam Eyde insisterede på, at Birkeland skulle dele Nobelprisen med ham. Dette udelukkede enhver chance for at få prisen.

” Sam Eyde var ikke videnskabsmand, men på trods af dette var han meget mere besat af at få prisen, end Birkeland var. Eyde følte også, at hvis han ikke kunne få prisen, var det bedst, hvis Birkeland heller ikke modtog den.
men i 1994 blev Birkeland fortjent hædret. Hans portræt blev valgt til forsiden af den norske 200-kroneseddel.”

Birkelands arv

Professor J. Ortran Moen, der i øjeblikket har Birkelands professorat , er en af Norges førende forskere i nordlyset og de øvre områder af Jordens atmosfære.

” rumforskning har vist, at Birkeland var utroligt visionært. Hans hypoteser om Solen og universet var genstand for meget opmærksomhed, efter at satellitter begyndte at afsløre mange af rummets hemmeligheder,” påpeger J.

” jeg blev fascineret af sol-terrestial koblingen og af Birkelands personlige historie. Det var ham, der inspirerede Norsk interesse for solforskning,” siger P.

i dag udføres atmosfærestudier på universiteterne i Oslo og Troms Karrus, på Birkelandscentret i Bergen og Universitetscentret på Svalbard (UNIS). Og Kristia Space Center på den yderste hav kystlinje i Vester Korsten, er også en vigtig bidragyder. Forskningsraketter lanceres og bruges til at måle, hvordan solen påvirker atmosfæren på jorden.

“alt dette kan relateres tilbage til Birkeland,” bemærker P. G., som tilføjer, at Norge – takket være landets tidlige indsats inden for solforskning – var bidragydere til NASAs SOHO-satellit, som stadig kredser om Solen efter 22 år, den japanske satellit Hinode og den amerikanske IRIS-satellit. Institut for Teoretisk astrofysik ved UiO er indehaveren af dataene fra disse satellitter, efter at informationen er hentet fra rummet via de enorme antenner på Svalsat på Svalbard.

det faktum, at Norge skulle blive den førende nation inden for solfysik, var ikke en forudsigelig udvikling, men Norge nød godt af Birkelands arv. Vi ejer HELE gryden med honning, P.

menneskeheden bruger stadig mere teknologi, der er sårbar over for solstorme. Når nordlyset er voldsomt aktivt, har det indflydelse på vores navigationssystemer.

vores store drøm er at designe vejrstationer i rummet, der kan forudsige tidspunkter, hvor navigation kan stole på.

” Birkeland har været meget vigtigt i denne forbindelse. Han etablerede den allerførste rumforskning i Norge. Fordi Norge har en særlig god placering, der gør det muligt for os at dække hele den daglige cyklus af nordlyset, med natlys aurora i Troms og daglys aurora på Svalbard, har vi haft gode betingelser for at fortsætte sit arbejde,” siger J.

han tilføjer, at Birkeland og hans kolleger var de første forskere, der så behovet for at kombinere teori, eksperimenter og beregninger. I vores moderne æra tages disse ting nu for givet i alle naturvidenskabelige discipliner.

et stadig uløst problem

selvom det nu er et århundrede siden Kristian Birkelands død, er alle de fysiske mekanismer i atmosfæren endnu ikke fuldt ud forstået.

en af de største udfordringer er, hvordan man forklarer turbulensen i plasma. Plasma er gas med ladede atomer. Hele ionosfæren, som er det yderste lag af eksosfæren, består af plasma. Plasma påvirkes af elektromagnetiske felter.

når solstorme regner ned på jorden, forårsager de turbulens i plasmaet. Dette ændrer igen retningen af radio-og GPS-signaler. For at kunne forudsige, hvordan vejret i rummet vil være, skal man forstå, hvordan turbulensen opfører sig.

solstorme indeholder store mængder energi.

” turbulens er en måde at nedbryde energien på. Energi forsvinder aldrig, men ændringer dannes kontinuerligt, såsom i bølger, ustabilitet eller varme. Desværre er dette et grundlæggende problem i klassisk fysik, og vi forstår det ikke fuldt ud,” indrømmer J.

turbulens er umuligt at studere herfra på jorden. Satellitterne er desuden i kredsløb for højt i rummet. Løsningen er derfor at måle turbulens ved hjælp af raketter. I de senere år har Moen lanceret en række raketter.

en enkelt raket returnerer målinger langs kun en bane.

” vi har brug for tredimensionelle målinger.”

for at løse dette vil J – i samarbejde med NASA – nu lancere fire parallelle raketter på samme tid. De vil blive lanceret i slutningen af 2018-2019.

” hvad ville Birkeland gøre, hvis han havde levet i dag?”

” det har jeg tænkt meget over. Mest sandsynligt ville han have fortsat med at undersøge elektromagnetisme, fordi det er et felt, der stadig har mange gåder tilbage at løse.”

“for at forstå ekstosfæren (Jordens atmosfære) er vi nødt til at forstå mere om dens forbindelse med solatmosfæren. Vores forståelse af solen mangler stadig, og vi kan stadig ikke forudsige vejret i rummet. Når vi har forstået alt dette, vil vi også være i stand til at forstå atmosfæren på andre planeter,”konkluderer J.

relateret indhold

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.