The king of northern lights

この記事はもともとオスロ大学のApollon-Research magazineに掲載されました。 元の記事を読む。

ノルウェーのクリスティアン-ビルケランド教授(1867-1917)は、オーロラが太陽からの電磁気嵐と関係があることを認識した世界で最初の科学者でした。 彼はまた、空気から窒素を収穫することによって肥料を作ることを可能にした素晴らしい発明の背後にある男でした。 この発見は、ノルスク-ハイドロの基礎と、NotoddenとRjukanの産業大当たりの基礎となりました。 最後になりましたが、Birkelandはマーガリンとキャビアからelctromagnetic大砲まで、すべての60の新しい特許を担当していました。 しかし、今日の私たちの視点から最も重要なのは、おそらく彼が宇宙と太陽物理学の分野で行われた現代の研究の多くの基礎を築いたことです。

ビルケランドの先駆的な発明にもかかわらず、彼はそれにもかかわらずほとんど忘却に追いやられた。 残念なことに、彼はオーロラに関連する彼の壮大な理論を証明することができませんでした。 国際的な身長の科学者は、ビルケランドの理論に対して声高に抗議した。 彼の死から40年後、彼はオスロ大学(UiO)で使用されている教科書ではほとんど言及されていませんでした。 彼のノーザンライトと地球磁場の擾乱理論が確認されたのは、宇宙の衛星からの測定を行うことが可能になった後であった。

アポロンロゴ

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過去20年間、彼の顔はノルウェーの200クローネ紙幣を飾っていましたが、広く使用されている紙幣の数字に多くの注意を払っている人はほとんどいません。

UiOは現在、ノルウェーと日本の両方で多くのイベントで教授と発明者の150周年を祝う予定です。

ビルケランドは認知され始め、多くの執筆の対象となっているが、研究者としての生活から一般の人々がまだ聞いたことのない逸話がまだ多い。

科学的な金鉱

Birkelandについて非常によく知っている人は、物理学のDepatmentの名誉教授Alv Egeland(85)です。 Egelandは50年前、1967年にBirkelandに敬意を表して百周年記念行事を手配することに関与していました。 彼はまたBirkelandに関するいくつかの本を執筆しています。

スコットランドとドイツの物理学者ジェームズ-マクスウェル(1831年-1879年)とハインリッヒ-ヘルツ(1857年-1879年)。Birkelandのインスピレーションの二つの源でした。 両方とも電磁気学の分野の一流の権限だった。 マクスウェルは理論家だった。 彼は電磁波がどのように動いて広がるかを説明しました。 ヘルツは実験者だった。 彼は実際にマクスウェルの理論をテストすることができました。

“電磁気学は若いBirkelandのための新しい発見の金鉱になった。 すでに少年として、彼は自分のお金で自分の磁石を買っていました。 彼は学校の授業中に多くの驚くべき実験や実用的なジョークのために磁石を使用しました。 Birkelandの教師のすべてが彼の実験に感銘を受けたわけではありません。”

後の人生で、Alv Egelandは、ビルケランドの電磁気学と地球磁場の研究は、彼の研究の最も重要な貢献になるだろうと述べています。
バークランドが大学を卒業するとすぐに、彼は金属線に沿った電気振動の実験を開始した。

1895年、彼は陰極線、負と正の荷電電極の間を通過する高電圧を介して発生する真空管内の電子の流れの先駆的な研究を開始しました。

“Birkelandは、陰極線は荷電粒子で構成され、磁場によって制御することができると結論づけました。”

人工オーロラ

を作成した翌年、Birkelandは黒点とオーロラの関係に興味を持つようになった。 彼は実験室で人工オーロラを作るために陰極線を使用し、彼はオーロラは地球の周りの地磁気によって極地大気中に導かれる太陽からの荷電粒子に 彼はまた、大気は膨大な数の電気粒子で構成されているという意見もありました。

“Birkelandのオーロラ理論は、太陽からの宇宙の電磁力に基づいていました。 彼がどのようにアイデアに来たのかはまだ謎です。 ビルケランドの仮説は、約60年後の宇宙時代まで確認されなかった。 宇宙時代の幕開けから50年以上経った今日でも、彼の先見の明のある遠視は印象的です」とEgeland氏は言います。

Birkelandの理論が正しいことが証明されたのは、衛星を介して正確な測定を行うことが可能になった1970年代までではありませんでした。 太陽の嵐からの粒子は、暴力的な力で地球を打つ。 粒子は電離層によって減速される。 この摩擦は、大気中の粒子に非常に多くのエネルギーを伝達し、それらが点灯します。

Birkelandが現場に到着する前に、多くの研究者は、オーロラは特別なオーロラガス、鉄を含む粒子、大気中の局所的な電流、または流星塵によって引き起こされ

「ビルケランドの仮説はオーロラに関する最初の現実的な理論でしたが、オーロラの様々な形、色、動き、高度の説明は宇宙時代の研究者に任されていました。”

Birkelandは、彼の生涯の間、特にイギリスの一流の研究者からの支援をほとんど経験しませんでした。 彼らは、太陽がオーロラの源であると確信していませんでした。 私たちは、以下のこの途方もない批判に戻ってくるでしょう。

これは、有名な研究者が、一般的に受け入れられている主流の概念から逸脱する革新的なアイデアの下で、どのように脚を蹴るかを記述する物語です。 しかし、最初に、私たちは彼の実験に基づいて、いくつかの面白い詳細を楽しむことができます。

宇宙を再現

Birkelandは太陽系と地球を真空チャンバーで再現しました。 これらはTerrella実験と呼ばれていました。 Terrellaという用語はラテン語で、”地球の小さなモデル”を意味します。

“実験は時間がかかった。 チャンバ内に真空を作り出すのに数日かかりました。 彼はテレラの中に電磁石を置いた。 これにより、彼は人工的なオーロラを作り出すことができました。 しかし、Birkelandについての逸話にはいくつかの誤解があります。 人工オーロラを含む最初の実験は、放電管の中で行われました”とAlv Egeland氏は指摘しています。

その後の年の間に、Birkelandはより新しく、より良いterellasを作りました。

「実験は素晴らしく、当時の科学は電子を別々の粒子として定義していなかったことを考慮していませんでした」と物理学科のJøran Moen教授は説明します。

最大のテレラモデルにおける宇宙の質量は約1000リットルであった。 Birkelandは、発電機からの電流で”地球”で電子の雲を撮影しました。 それはあなたの家庭のコンセントの電圧の百倍以上です。

“Birkelandは徐々に太陽、彗星、土星の環、宇宙、物理世界の起源に興味を持ち、彼は850ページの主要な研究貢献で多くを書いています”とAlv Egeland氏は言います。

彼の経験は安価な娯楽からは程遠いものだった。 彼らは実施するために高価でした。 これは、ノルウェーが貧しい国だったと大学は少しお金を持っていた時間でした。

“大学からの彼の賃金は不十分だった。 彼は費用の大部分を自分自身でカバーし、Hydroからの個人的な収入を研究室の資金調達に費やし、彼が雇った6〜8人の助手の賃金を費やしました。 オスロ大学のSem Sæland学長は、1928年から1936年まで主宰していましたが、他の従業員は自分が行った研究に自分の給料の多くを費やしたことはないと言います。”

激しい冬

Birkelandの最大の願いの一つは、オーロラの高度を決定することでした。 オーロラがラップランドの木の上のレベルまでずっと下降すると考えられていた時代の間にあった。 私たちは今日、オーロラが地上数百キロ上に作成されていることを知っています。

これを発見するために、BirkelandはアルタのKåfjordを見下ろす海抜約1000mのSamisの「神聖な山」Halddeの上に研究ステーションを建設した。

上昇は激しいものだった。 当時、徒歩でのトレッキングは約四時間かかりました。 彼らは新しい天文台のための最も適した頂上を見つけようとしていたとき、彼らは吹雪で滅びに近づきました。

ブリケランドは2人の助手と共にハルデの頂上で冬を過ごした。 一日おきに嵐やハリケーンの強風がありました。 彼らの科学機器のいくつかは破壊され、修理されなければならなかった。 石炭ストーブからの煙の流れの逆転は煙で住居を満たすでしょう。 彼らは条件が氷だったときにスキー、スノーシューやクランポン上の場所から場所に移動しました。 助手の一人が3月に雪崩で死亡した。

10年後、BirkelandはHaldde山の頂上に、より快適でより大きな展望台を建設した。 1912年から1919年の間に、山頂には7人の子供が住んでいた。 これらのうちの三つはそこで生まれました。

この間、観測所は気象観測にも使用されていました。 オーロラは山の頂上を放牧したことはありませんでしたが、Birkelandは疲れを知らずに、新たな忍耐力を持って彼の研究を続けました。

耳をつんざくようなノイズ

彼の偉大な誇りの源の一つは、彼が作った電気大砲でした。 それは発射されることを意図していましたが、火薬の代わりに電気を使用していました。 10キロの鉄片は、弾丸の力で出るような速度で大砲の口から推進されました。

ドイツのカイザー・ウィルヘルムは、この発明が戦争に革命を起こすことを望んだ。 フランスの戦争省は、ビルケランドの大砲に非常に興味を持っていました。

この大砲は1903年、カール・ヨハン・ゲートのドムス・アカデミカ・ビルにある古い宴会場として知られている由緒ある宴会場で公に試験された。 テスト発射は失敗だったが、それはノルウェーの歴史の中で最大の産業冒険の始まりをマークしました。

大きな期待があった。 宴会場は客で満たされていた。 二人の閣僚と産業界の代表者が出席した–国際武器産業からのエージェントと一緒に。 Fridtjof Nansenは最初の行から注意深く手続きを観察しました。

「大砲から発射される発射体の重さは10キログラムでした」ビルケランドは集会を安心させました:「皆さん、静かに座ることができます。 私がスイッチをオンにすると、あなたはターゲットを打つ発射体の音以外は何も見たり聞いたりしません。”彼はその後、スイッチを反転し、Egelandは自然科学者と産業研究者クリスティアンBirkelandというタイトルの彼の本に関連しています。

耳をつんざく、パチパチとスパッタリング騒ぎがありました。

大砲は短絡していた。 大砲の口から炎が噴出した。 一部の女性は金切り声を上げ、”恐怖から叫び声を上げた”と、しばらくの間、ホールにパニックの兆候がありました。.

“それは私の人生で最も劇的な事件でした。 そのシングルショットで、私の株式は300からゼロに急落しましたが、発射体は目標を打ちました”Birkelandはその後コメントしました。

彼が同じ日に大砲をテストしたとき、すべてが意図したとおりに機能していた。

「このイベントの注目は予想通り否定的でしたが、Birkelandは騒動からかなりの楽しみを得ました」とAlv Egeland氏は言います。

大砲から発射された電気インフェルノは千度以上の温度を持ち、後にビルケランドの”プラズマアーク”と呼ばれた。

高温は、荷電粒子が高速で前後に射撃することによるものです。

“運動中の電子は、磁場に囲まれた強い電流をもたらします。 これは宇宙の太陽風プラズマに似ています。”

Birkelandはすぐに予期しないことを観察しました。 コイルの磁場では、短絡からの電気アークがファンテイル形状に広がり、ここにBirkelandの発見があります。

“大失敗は忘れられていた。 この時点から、Birkelandは電気アークに興味を持っていました”とAlv Egelandは書いています。

ノルスク-ハイドロの創設者

大砲の実験は予期せぬ結果につながった。 数年前、英国の研究者サー-ウィリアム-クルックスは、肥料の製造における主要成分の一つである世界の硝酸カルシウムの不足を科学界に警告していた。 Crookeのアイデアは、肥料を生産するための解決策は、空気から直接窒素を取り出すのが好きであるということでした。 彼は、これが将来の最大の発明の一つであり、差し迫った飢饉から世界を救うことができると考えました。

由緒ある古い宴会場での失敗した大砲の発射は、まさに現代の肥料生産の基礎となった。

光の弧の形状は、ビルケランドがすでに考えていたいくつかの理論を確認した。

光の弧は窒素分子の三重結合を破ることができた。 トーチのような炎は硝石の基本的な混合物および肥料の主要な要素である窒素酸化物を作り出しました。

世界中の科学者や実業家は、解決策を見つけるために探求していました。 バーケランドはポストでそれらすべてをピップした。

この発見はノルスク・ハイドロの創設の礎石であった。 硝石の人工的な生産は莫大な量のエネルギーを要求した。 ノルウェーは豊かに滝に恵まれていました。 その結果、電気の価格は低かった。

“これは素晴らしい話です。 ノルスクハイドロは、おそらく古い宴会場での偶発的な爆発なしに日の光を見たことがないでしょう。 それが研究の世界です。 ノルウェー宇宙センターの上級顧問である太陽研究者Pål Brekke氏は述べています。

古い宴会場での失敗した実験は、Birkelandにアイデアが起こった日と同じように歴史の本に落ちたが、Alv Egelandは、Birkelandが失敗した実証の前にすでにアイデアを考えていた可能性があると指摘している。

Birkelandは、Domus Academicaでの短絡事故の3週間前に、Gunnar Knudsen内閣大臣が主催した夕食会で、産業起業家Sam Eydeと会った。

“サム-アイドは手ごわい原動力だった。 彼はすでに大気から肥料を製造するためにドイツ人と交渉していました。”

サム-アイドとビルケランドはすぐにお互いに取った。 Birkelandはすぐに大学で実験を開始しました。

当時、アイデはノルウェーで最も有名な男性の一人でした。 メディアは彼を密接に追求した。

“彼はイベントを活用する方法をよく知っていました。”

古い宴会場での爆発は、メディアにとって魅力的な餌でした。

いずれにせよ、発見が実を結び始めたとき、

“Birkelandの発見とEydeとのコラボレーションは、atNotoddenとRjukanの産業大当たりの始まりをマークしました。 アイデはRjukanで”王族”になり、Birkelandよりも何倍も有名でした”とAlv Egelandは強調しています。
悲しい運命

バーケランドの人生の最後の5年間、彼は黄道光、満月の光度の100万分の1に過ぎない赤道での独特のかすかな光に魅了されました。 Birkelandは、光が太陽からの陰極線によって引き起こされたことを確立することができました。 彼は、光が太陽活動と地球の磁場の擾乱に比例して変化するという考えを持っていました。

アフリカに長期滞在した後、彼はノルウェーに戻ることを切望していたが、この時点で第一次世界大戦は激しさを増していた。 そのため、彼は親しい同僚や友人がいた東京を経由して迂回しました。

バークランドは精神的にアンバランスであり、日本の首都での生活を終えたときにはわずか五十歳だった。 彼の死の後、彼は1960年代後半に向けた現代の宇宙探査は、オーロラに関するビルケランドの理論を証明することが可能になるまで、ほぼ完全に忘れられていた。

“Birkelandはノルウェーの科学界の上部地殻を表していました。 率直な先見の明として、彼は特に主流の英国の研究者の間で、抵抗に会いました。 Birkelandにとっての欠点の1つは、彼の科学論文のほとんどが英語ではなくフランス語で書かれていたことでした。”

英国の嘲笑

バークランドの死後、彼の理論は英国科学アカデミー、王立協会から激しい批判の矢面に立たされた。 最前線の批評家は、20世紀の最も偉大な宇宙研究者である華麗な数学者で物理学者であるシドニー-チャップマン教授でした。

英国はオーロラに関するビルケランドの理論に反対し、代わりに上層大気中の局所的な電流のシステムによって引き起こされるという概念を支持した。

「王立協会の研究者が話したとき、1950年代の終わりに物理学を専攻したAlv Egelandによると、彼らが言ったことを敢えて争う人はほとんどいませんでした。」

この時代、誰もがチャップマンと英国の学校に言及しました。 チャップマンの著作はオスロ大学のシラバスに掲載されていた。 ビルケランドのオーロラ理論とテレラはほとんど言及されていなかった。 彼の理論は実質的に嘲笑された。

“チャップマンは研究者の天才であり、非常に尊敬されていましたが、彼は証明できない理論を容認することを拒否しました。 衛星が出現する前は、宇宙空間でのテスト測定は不可能でした。 チャップマンと他のすべてが少ない観測と統計モデルに彼らの理論に基づいているのに対し、ビルケランドは実験室で空間をシミュレートしました。 彼の前に誰もこれをしていませんでした。”

クリスティアン-ビルケランドの誕生から一世紀後の1967年、国際地磁気-航空学会(IAGA)はサンデフィヨルドで最初のビルケランドシンポジウムを開催した。

全世界から合計170人の研究者が、ビルケランドが先駆者であった分野における最新の成果について議論しました。

オーロラの発生源を”Birkeland電流”と指定することが提案されました。

“基調講演のゲストであるチャップマンがシンポジウムを開きました。 私たちは彼がBirkelandを賞賛すると思ったが、彼は非常に外交的な言葉で自分自身を表現しなかったし、彼はリスナーの多くに衝撃を与えた。 彼はビルケランドの研究について肯定的なことを言うことができませんでした。 彼の意見では、Birkelandは事実と誤りを混在させていました。”

衛星からの最初の観測はすでに記録されていましたが、データの品質はまだ不十分でした。

英国の学校が、60年前にBirkelandが理論化した方法で電流が流れたという証明を受け入れたのは、1970年代の初めまでではなかった。

“チャップマンはその後何を言わなければならなかったのですか?「

」しばらく時間がかかったが、彼はついに間違っていたことを謝罪した。 ビルケランドについての彼のコメントはあまり批判的になり、ますます多くの研究者がビルケランドの説明を受け入れるようになった。 数年後、チャップマンは、ビルケランドがオーロラと磁気嵐を説明する上で重要な進歩を達成したと書いた、”Egelandは詳述している。

バーケランドがオーロラ理論を発展させてから理論が証明されるまでの60年の期間が経過していた。

「Birkelandがずっと正しかったという事実を研究者が認めたのはそれまでではありませんでした」とPål Brekke氏は言います。

ノーベル賞にノミネート

クリスティアン-ビルケランドはノーベル賞にノミネートされた。 しかし、彼は賞を授与されなかった。 Sam EydeがBirkelandがノーベル賞を彼と共有しなければならないと主張したことはBirkelandにとって不幸でした。 これは、賞を得ることの任意のチャンスを排除しました。

“サム-アイドは科学者ではなかったが、これにもかかわらず、彼はBirkelandよりも賞を得ることにずっと執着していた。 Eydeはまた、もし彼が賞を得ることができなければ、Birkelandもそれを受け取らなかったのが最善だと感じました。
しかし、1994年には、ビルケランドは当然名誉を与えられた。 彼の肖像画は、ノルウェーの200クローネ紙幣の正面に選ばれました。”

Birkeland’s heritage

現在Birkelandの教授職を保持しているJøran Moen教授は、ノルウェーのオーロラと地球大気の上部地域の一流の研究者の一人です。

「宇宙研究は、ビルケランドが信じられないほど先見の明を持っていたことを実証しました。 衛星が宇宙の秘密の多くを明らかにし始めた後、太陽と宇宙についての彼の仮説は多くの注目の対象でした”とJøran Moenは指摘しています。

“私は太陽-テレスティアル結合に魅了され、Birkelandの個人的な歴史に魅了されました。 彼はノルウェーの太陽研究への関心に影響を与えた人です”とPål Brekke氏は言います。

現在、大気の研究はオスロとトロムソの大学、ベルゲンのビルケランド-センター、スヴァールバル諸島の大学(UNIS)で行われている。 Vesterålenの最も外側の海の海岸線にAndøya宇宙センターは、また重要な貢献者です。 研究ロケットが打ち上げられ、太陽が地球上の大気にどのように影響するかを測定するために使用されます。

「これはすべてBirkelandに関連している可能性がある」とPål Brekkeは指摘し、ノルウェーは、太陽研究の分野での初期の努力のおかげで、22年後にまだ太陽を周回しているNASAのSOHO衛星、日本の衛星「ひので」とアメリカのIRIS衛星への貢献者であったと付け加えた。 UiOの理論天体物理学研究所は、スヴァールバル諸島のスヴァルサットの巨大なアンテナを介して宇宙から情報が取得された後、これらの衛星からのデー

ノルウェーが太陽物理学の主要国になるべきであるという事実は予測可能な発展ではなかったが、ノルウェーはBirkelandの遺産の恩恵を受けた。 私たちは蜂蜜の鍋全体を所有しています,Pål Brekke muses.

人類は太陽嵐に脆弱な技術をますます使用しています。 オーロラが激しく活動しているとき、それは私たちのナビゲーションシステムに影響を与えます。

私たちの大きな夢は、ナビゲーションが信頼できる時間を予測できる宇宙の気象観測所を設計することです。

“Birkelandはこれに関連して非常に重要でした。 彼はノルウェーで最初の宇宙研究を確立しました。 ノルウェーは、トロムソの夜のオーロラとスヴァールバルの昼間のオーロラで、オーロラの毎日のサイクル全体をカバーすることができ、特に良い場所を持ってい

彼は、Birkelandと彼の同僚は、理論、実験、計算を組み合わせる必要性を見た最初の科学者だったと付け加えた。 私たちの現代では、これらのことは今、すべての自然科学の分野で当たり前のように取られています。

まだ未解決の問題

クリスティアン-ビルケランドの死から一世紀ですが、大気中のすべての物理的メカニズムはまだ完全には理解されていません。

最大の課題の一つは、プラズマの乱流をどのように説明するかです。 プラズマは、荷電した原子を持つガスです。 外気圏の最外層である電離層全体はプラズマで構成されています。 プラズマは電磁場の影響を受けます。

太陽嵐が地球に降り注ぐと、プラズマに乱気流が発生します。 これは、順番にラジオとGPS信号の方向を変更します。 宇宙の天気がどのようになるかを予測できるようにするには、乱気流がどのように振る舞うかを理解する必要があります。

太陽嵐には大量のエネルギーが含まれています。

“乱流はエネルギーを分解する一つの方法です。 エネルギーは決して消えませんが、波、不安定性、熱などの変化は継続的に形成されます。 残念ながら、これは古典的な物理学の基本的な問題であり、私たちはそれを完全に理解していません”とJøran Moenは認めています。

乱流はここから地球上で研究することは不可能です。 加えて、衛星は、宇宙で高すぎる軌道上にあります。 したがって、解決策はロケットを使用して乱流を測定することです。 近年では、多くのロケットを打ち上げている。

単一のロケットは、一つの軌道に沿って測定値を返します。

“三次元測定が必要です。”

これを解決するために、JØRAN MoenはNASAと協力して、同時に四つの平行ロケットを打ち上げます。 彼らは2018-2019の変わり目に発売されます。

“もし彼が今日生きていたら、ビルケランドは何をするだろうか?「

」私はそれを多くの考えを与えてきました。 それはまだ解決するために残って多くのパズルを持っている分野であるため、ほとんどの場合、彼は、電磁気学を研究し続けているだろう。”

“エクストスフィア(地球の大気)を理解するためには、太陽大気との関係についてもっと理解する必要があります。 太陽についての私たちの理解はまだ欠けており、宇宙の天気をまだ予測することはできません。 このことをすべて理解すれば、他の惑星の大気も理解できるようになります」とJøran Moenは結論づけています。

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