O rei das luzes do Norte

este artigo foi publicado originalmente na revista Apollon – Research da Universidade de Oslo. Leia o artigo original.O professor norueguês Kristian Birkeland (1867-1917) foi o primeiro cientista do mundo a perceber que as luzes do Norte tinham algo a ver com as tempestades eletromagnéticas do sol. Ele também foi o homem por trás da invenção fantástica que permitiu a fabricação de fertilizantes colhendo nitrogênio do ar. A descoberta foi a base para a fundação da Norsk Hydro e da bonança industrial em Notodden e Rjukan. Por último, mas não menos importante: Birkeland foi responsável por 60 novas patentes para tudo, desde margarina e caviar a um canhão elctromagnético. Mas o mais importante de nossa perspectiva hoje é talvez que ele lançou as bases para grande parte da pesquisa moderna conduzida no campo do espaço e da física solar.Apesar das invenções pioneiras de Birkeland, ele foi, no entanto, quase relegado ao esquecimento. Infelizmente, ele não conseguiu provar suas teorias espetaculares relativas às luzes do Norte. Cientistas internacionais de estatura protestaram veementemente contra as teorias de Birkeland. Quarenta anos após sua morte, ele mal foi mencionado nos livros didáticos usados na Universidade de Oslo (UIO). Foi só mais tarde, quando se tornou possível realizar medições de satélites no espaço, que sua luz do Norte – e distúrbios nas teorias do campo magnético da Terra – foram confirmados.

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nos últimos vinte anos, o seu rosto tem adornado o norueguês 200-kroner de notas, embora poucas pessoas tenham prestado muita atenção para a figura amplamente utilizado notas.

a UiO agora planeja comemorar o 150º aniversário do professor e inventor com uma série de eventos na Noruega e no Japão.Embora Birkeland esteja começando a ser reconhecido e tenha se tornado objeto de muita escrita, ainda há muitas anedotas de sua vida como pesquisador que o público em geral ainda não ouviu.

uma mina de ouro científica

uma pessoa que sabe muito sobre Birkeland é o Professor Emérito Alv Egeland (85) do tratamento da física. Egeland esteve envolvido há 50 anos na organização da observância do centenário em homenagem a Birkeland, em 1967. Ele também escreveu vários livros sobre Birkeland.

os físicos escoceses e alemães James Maxwell (1831-1879) e Heinrich Hertz (1857-1879).foram duas fontes de inspiração para Birkeland. Ambos foram as principais autoridades no campo do eletromagnetismo. Maxwell era o teórico. Ele descreveu como as ondas eletromagnéticas se movem e se espalham. Hertz foi o experimentador. Ele conseguiu testar as teorias de Maxwell na prática.

“o eletromagnetismo tornou-se uma mina de ouro recém-descoberta para o jovem Birkeland. Já como estudante, ele havia comprado seu próprio ímã – com seu próprio dinheiro. Ele usou o ímã para muitos experimentos surpreendentes e piadas práticas durante as aulas da escola. Nem todos os professores de Birkeland ficaram impressionados com seus experimentos.”

mais tarde na vida, ALV Egeland relata, os estudos de Birkeland sobre eletromagnetismo e o campo magnético da terra se tornariam as contribuições mais importantes de sua pesquisa.Assim que Birkeland se formou na universidade, ele começou a experimentar oscilações elétricas ao longo de um fio de metal.

em 1895, ele iniciou estudos pioneiros de raios catódicos, um fluxo de elétrons em um tubo de vácuo que ocorre através da passagem de alta tensão entre eletrodos carregados negativos e positivos.

” Birkeland concluiu que os raios catódicos consistem em partículas eletricamente carregadas e podem ser controlados por um campo magnético.”

criou luzes artificiais do Norte

durante o ano seguinte, Birkeland se interessou pela conexão entre manchas solares e as luzes do Norte. Ele usou raios catódicos para criar luzes artificiais do Norte em um laboratório e concluiu que a aurora boreal é causada por partículas eletricamente carregadas do sol que são guiadas na atmosfera polar pelo campo geomagnético ao redor da Terra. Ele também era da opinião de que a atmosfera consistia em um grande número de partículas elétricas.

” a teoria das luzes do Norte de Birkeland foi baseada em forças eletromagnéticas no espaço, do sol. Como ele veio sobre a idéia ainda é um mistério. As hipóteses de Birkeland não foram confirmadas até a era espacial, cerca de sessenta anos depois. Ainda hoje, mais de cinquenta anos após o início da era espacial, sua visão visionária é impressionante”, diz Egeland.

não foi até a década de 1970, numa época em que era possível realizar medições exatas por meio de satélites, que as teorias de Birkeland provaram estar corretas. Partículas de tempestades solares atingem a terra com força violenta. As partículas são retardadas pela ionosfera. Esse atrito transfere tanta energia para as partículas na atmosfera que elas acendem.Antes de Birkeland chegar ao local, muitos pesquisadores pensaram que a Aurora Boreal era causada por um gás especial da Aurora Boreal, partículas contendo ferro, correntes elétricas locais na atmosfera ou poeira de meteoros.Embora a hipótese de Birkeland tenha sido a primeira teoria realista referente às luzes do Norte, a explicação para as várias formas, cores, movimentos e altitudes das luzes do Norte teve que ser deixada para os pesquisadores da era espacial.Birkeland experimentou muito pouco apoio durante sua vida, particularmente dos principais pesquisadores da Inglaterra. Eles não estavam convencidos de que o sol era a fonte das luzes do Norte. Voltaremos a esta tremenda crítica abaixo.

este é um conto que descreve como pesquisadores renomados chutam as pernas sob ideias inovadoras que se afastam de noções geralmente aceitas e convencionais. Mas primeiro, vamos desfrutar de alguns detalhes divertidos com base em seus experimentos.

recriou o universo

Birkeland fez reproduções do sistema solar e da terra em uma câmara de vácuo. Estes foram chamados de experimentos de Terrella. O termo terrella é latim e significa “um pequeno modelo da Terra”.

“os experimentos foram demorados. Demorou vários dias para criar um vácuo na câmara. Ele colocou um eletroímã dentro da terrella. Com isso, ele foi capaz de produzir luzes artificiais do Norte. Mas existem alguns equívocos na anedota sobre Birkeland. Os primeiros experimentos envolvendo luzes artificiais do Norte foram realizados dentro de um tubo de descarga”, aponta Alv Egeland.

durante os anos seguintes, Birkeland fez terellas mais novas e melhores.

“os experimentos foram Brilhantes, levando em consideração que a ciência na época não definia elétrons como partículas separadas”, explica o Professor Jøran Moen no departamento de Física.

a massa do universo no maior modelo de terella foi de aproximadamente 1000 litros. Birkeland disparou nuvens de elétrons na “terra” com corrente elétrica de um gerador. A tensão era de 25.000 V. Isso é mais de cem vezes a tensão na tomada doméstica.”Birkeland gradualmente se torna cada vez mais interessado no sol, nos cometas, nos anéis de Saturno, no espaço exterior e na origem do mundo físico, sobre o qual ele escreveu muito em sua grande contribuição de pesquisa de 850 páginas”, diz Alv Egeland.

suas experiências estavam longe de ser um passatempo barato. Eles eram caros de conduzir. Esta foi uma época em que a Noruega era um país pobre e a universidade tinha pouco dinheiro.

“seus salários da Universidade eram insuficientes. Ele mesmo cobriu a maior parte dos custos e gastou seus ganhos pessoais da Hydro para financiar o laboratório e os salários dos seis a oito assistentes que empregava. O Reitor da Universidade de Oslo, Sem Sæland, presidindo de 1928 a 1936, diria que nenhum outro funcionário jamais gastou tanto de seu próprio salário em pesquisas que ele próprio realizou.”

Inverno extenuante

um dos maiores desejos de Birkeland era determinar a altitude das luzes do Norte. Houve durante uma época em que se pensava que as luzes do Norte desciam até o nível das copas das árvores em Lappland. Sabemos hoje que as luzes do Norte são criadas várias centenas de quilômetros acima do nível do solo.Para descobrir isso, Birkeland tinha uma estação de pesquisa construída no topo da Haldde “montanha sagrada” dos Samis, a quase mil metros acima do nível do mar com vista para Kåfjord em Alta.

a subida foi extenuante. Na época, a caminhada a pé levou cerca de quatro horas. Quando eles estavam tentando encontrar o cume mais adequado para um novo observatório, eles chegaram perto de perecer em uma nevasca.Brikeland passou o inverno no cume de Haldde com dois Assistentes. Houve tempestades ou furacões a cada dois dias. Vários de seus instrumentos científicos foram destruídos e tiveram que ser reparados. A reversão do fluxo de fumaça do fogão a carvão encheria a habitação com fumaça. Eles se mudaram de um lugar para outro em esquis, raquetes de neve e crampons quando as condições estavam geladas. Um dos assistentes morreu em uma avalanche em Março.Dez Anos Depois, Birkeland construiu um Observatório mais confortável e maior no topo do Monte Haldde. Durante o período 1912-1919, Dezessete pessoas viviam no topo da montanha, sete delas crianças. Três deles nasceram lá em cima.

durante este período, As estações de pesquisa também foram usadas para observações meteorológicas. Embora as luzes do Norte nunca tenham pastado o cume da montanha, Birkeland continuou sua pesquisa, incansavelmente e com renovada perseverança.

ruído ensurdecedor

uma de suas grandes fontes de orgulho foi um canhão elétrico que ele fez. Era para ser disparado, mas usando eletricidade em vez de pólvora. Dez quilos de ferro foram expulsos da boca do canhão a tal velocidade que saíram com a força das balas.O Kaiser Guilherme da Alemanha esperava que a invenção revolucionasse a guerra. O Ministério da guerra francês estava muito interessado no canhão de Birkeland.

o canhão foi testado publicamente em 1903 no venerável Salão de banquetes, agora conhecido como o antigo salão de banquetes no edifício Domus Academica no portão Karl Johan. O teste foi um fracasso, mas marcou o início da maior aventura industrial da história da Noruega.

havia grandes expectativas. O salão de banquetes estava cheio de convidados. Dois ministros e representantes da indústria estiveram presentes – junto com agentes da indústria internacional de armas. Fridtjof Nansen observou atentamente o processo desde a primeira fila.

“o projétil a ser disparado do canhão pesava dez quilos” Birkeland tranquilizou a montagem: “você pode sentar-se calmamente, senhoras e Senhores. Quando eu ligar o interruptor, você não verá nem ouvirá nada além do som do projétil atingindo o alvo.”Ele então inverteu o interruptor, Egeland relata em seu livro intitulado cientista Natural e pesquisador Industrial Kristian Birkeland.

houve uma comoção ensurdecedora, crepitante e sputtering.

o canhão tinha curto-circuito. As chamas saíram da boca do canhão. Algumas mulheres gritaram e” gritaram de medo”, e por um momento houve sinais de pânico no corredor..

“foi o incidente mais dramático da minha vida. Com esse único tiro, minhas ações despencaram de 300 para zero, mas o projétil atingiu o alvo”, comentou Birkeland depois.

quando ele testou o canhão no início do mesmo dia, tudo funcionou como pretendido.

“a atenção atraída pelo evento foi previsivelmente negativa, mas Birkeland teve um prazer considerável com o alvoroço”, diz Alv Egeland.

o inferno elétrico que disparou do canhão tinha uma temperatura de mais de mil graus e mais tarde foi chamado de ‘arco de plasma’de Birkeland.

a alta temperatura é devido a partículas eletricamente carregadas atirando para frente e para trás em alta velocidade.

“elétrons em movimento resultam em intensas correntes elétricas cercadas por um campo magnético. Isso se assemelha a um plasma de vento solar no cosmos.”

Birkeland logo observou o imprevisto. No campo magnético da bobina, o arco elétrico do curto-circuito se espalhou em forma de fantail-e aqui está a descoberta de Birkeland.

“o fiasco foi esquecido. A partir deste ponto, Birkeland estava interessado no arco elétrico”, Escreve Alv Egeland.

fundador da Norsk Hydro

o experimento do canhão levou a consequências imprevistas. Alguns anos antes, o investigador Britânico Sir William Crookes tinha alertado a comunidade científica para a escassez de nitrato de cálcio no mundo, um dos principais ingredientes na fabricação de fertilizantes. A ideia de Crooke era que uma solução para produzir fertilizantes pudesse ser apreciada na recuperação de nitrogênio diretamente do ar. Ele pensou que esta seria uma das maiores invenções do futuro e poderia salvar o mundo da fome iminente.

o disparo de canhão fracassado no venerável Salão de banquetes antigo tornou-se precisamente a base para a produção moderna de fertilizantes.A forma do arco de luz confirmou algumas das teorias que Birkeland já havia concebido.

o arco de luz foi capaz de quebrar a ligação tripla nas moléculas de nitrogênio. A chama semelhante a uma tocha produziu óxido de nitrogênio, que é o composto básico no salitre e um elemento-chave no fertilizante.Cientistas e industriais em todo o mundo estavam em busca de uma solução. Birkeland derrubou todos eles no post.

a descoberta foi uma pedra angular na fundação da Norsk Hydro. A produção Artificial de salitre exigia enormes quantidades de energia. A Noruega era ricamente dotada de cachoeiras. Consequentemente, o preço da eletricidade era baixo.

“esta é uma história fantástica. A Norsk Hydro talvez nunca tivesse visto a luz do dia sem a explosão acidental no antigo salão de banquetes. Esse é o mundo da pesquisa. Idéias de repente simplesmente ocorrem”, diz O pesquisador solar Pål Brekke, Consultor Sênior do Norwegian Space Center.Embora o experimento malsucedido no antigo salão de banquetes tenha entrado nos livros de história precisamente no dia em que a ideia ocorreu a Birkeland, Alv Egeland aponta que Birkeland possivelmente já havia pensado na ideia antes da demonstração fracassada.Birkeland conheceu o Empresário Industrial Sam Eyde em um jantar organizado pelo Ministro do gabinete Gunnar Knudsen três semanas antes do acidente de curto-circuito em Domus Academica.

” Sam Eyde era uma força motriz formidável. Ele já estava negociando com os alemães para fabricar fertilizantes da atmosfera.”

Sam Eyde e Birkeland se enfrentaram imediatamente. Birkeland começou imediatamente a realizar experimentos na Universidade.Na época, Eyde era um dos homens mais famosos da Noruega. A mídia o perseguiu de perto.

“ele estava bem ciente de como capitalizar um evento.”

a explosão no antigo salão de banquetes era uma isca atraente para a mídia.

de qualquer forma, quando a descoberta começou a dar frutos,

“a descoberta e colaboração de Birkeland com Eyde marcou o início da bonança industrial atNotodden e Rjukan. Eyde tornou-se” realeza” em Rjukan e era muitas vezes mais famosa do que Birkeland”, ressalta Alv Egeland.Durante os últimos cinco anos de vida de Birkeland, ele ficou fascinado pela luz zodiacal, uma peculiar luz cintilante no Equador que é apenas um milionésimo da luminosidade da lua cheia. Birkeland foi capaz de estabelecer que a luz foi causada por raios catódicos do sol. Ele tinha a noção de que a luz variava em proporção com a atividade solar e com distúrbios no campo magnético da Terra.

depois de uma longa estadia na África, ele ansiava por voltar para a Noruega, mas neste momento a Primeira Guerra Mundial estava em fúria. Portanto, ele fez um desvio por Tóquio, onde teve colegas e amigos próximos.Birkeland estava mentalmente desequilibrado e tinha apenas cinquenta anos quando terminou sua vida na capital japonesa. Após sua morte, ele foi quase totalmente esquecido, até que a exploração espacial moderna no final dos anos 1960 tornou possível provar as teorias de Birkeland sobre as luzes do Norte.

” Birkeland representou a crosta superior da comunidade científica Norueguesa. Como um visionário Franco, ele encontrou resistência, particularmente entre os principais pesquisadores britânicos. Uma desvantagem para Birkeland era que a maioria de seus artigos científicos foram escritos em francês – não em inglês.”

ridicularização Britânica

após a morte de Birkeland, suas teorias suportaram o peso das pesadas críticas da Academia inglesa de Ciências, a Royal Society. O crítico da linha de frente foi o Professor Sydney Chapman, um brilhante matemático e físico, bem como o maior pesquisador espacial do século XX.Os britânicos discordaram da teoria de Birkeland sobre as luzes do Norte e, em vez disso, apoiaram a noção de que elas eram causadas por um sistema de correntes elétricas locais na atmosfera superior.

“Quando os pesquisadores da Royal Society falou, eram poucos os que ousavam contestar o que eles disseram, de acordo com Alv Egeland, que se formou em física-se no final da década de 1950.”

Durante esta época, todos se referiam ao Chapman e a escola Britânica. Os escritos de Chapman estavam no currículo da Universidade de Oslo. A teoria auroral de Birkeland e os terrellas dificilmente foram mencionados. Suas teorias foram praticamente ridicularizadas.Chapman era um gênio de um pesquisador e altamente respeitado, mas ele se recusou a tolerar uma teoria que não poderia ser comprovada. Era impossível fazer medições de teste no espaço sideral antes do advento dos satélites. O gênio de Birkeland consistia em simulação; enquanto Chapman e todos os outros basearam suas teorias em menos observações e modelos estatísticos, Birkeland simulou o espaço em um laboratório. Ninguém antes dele tinha feito isso.”

em 1967, um século após o nascimento de Kristian Birkeland, a Associação Internacional de Geomagnetismo e Aeronomia (IAGA) organizou o primeiro Simpósio Birkeland em Sandefjord.

um total de 170 pesquisadores de todo o mundo discutiram as últimas conquistas no campo em que Birkeland havia sido pioneira.

foi proposto designar a fonte das luzes do Norte como “correntes Birkeland”.

“o convidado principal, Chapman, abriu o Simpósio. Pensamos que ele elogiaria Birkeland, mas ele não se expressou em termos muito diplomáticos e chocou muitos dos ouvintes. Ele não conseguiu dizer nada de positivo sobre a pesquisa de Birkeland. Em sua opinião, Birkeland havia produzido uma mistura de fatos e erros.”

as primeiras observações de satélites já estavam sendo registradas, mas a qualidade dos dados ainda era insuficiente.Não foi até o início da década de 1970 que a Escola Britânica aceitou a prova de que as correntes elétricas fluíam da maneira que Birkeland havia teorizado 60 anos antes.

“o que Chapman tinha a dizer então?”

” demorou um pouco, mas ele finalmente se desculpou por ter se enganado. Seus comentários sobre Birkeland tornaram-se menos críticos, e mais e mais pesquisadores começaram a aceitar a explicação de Birkeland. Alguns anos depois, Chapman escreveu que Birkeland havia alcançado avanços importantes na explicação das luzes do Norte e tempestades magnéticas”, conta Egeland.Um período de sessenta anos se passou desde o momento em que Birkeland avançou sua teoria das luzes do Norte até que a teoria foi comprovada.”Não foi até então que os pesquisadores reconheceram o fato de que Birkeland estava certo o tempo todo”, diz Pål Brekke.

nomeado para receber o Prêmio Nobel

Kristian Birkeland foi nomeado para o Prêmio Nobel oito vezes, quatro vezes em química e as outras quatro vezes em física. No entanto, ele nunca recebeu o prêmio. Foi lamentável para Birkeland que Sam Eyde insistisse que Birkeland teria que compartilhar o Prêmio Nobel com ele. Isso impedia qualquer chance de obter o prêmio.Sam Eyde não era um cientista, mas apesar disso, ele estava muito mais obcecado em obter o prêmio do que Birkeland. Eyde também sentiu que, se ele não pudesse ter o prêmio, era melhor se Birkeland também não o recebesse.No entanto, em 1994, Birkeland foi merecidamente honrado. Seu retrato foi escolhido para a frente da nota norueguesa de 200 coroas.”

herança de Birkeland

o Professor Jøran Moen, que atualmente é professor de Birkeland, é um dos principais pesquisadores da Noruega das luzes do Norte e das regiões superiores da atmosfera da Terra.

“a Pesquisa Espacial demonstrou que Birkeland era incrivelmente visionário. Suas hipóteses sobre o sol e o universo foram objeto de muita atenção depois que os satélites começaram a revelar muitos dos segredos do espaço”, aponta Jøran Moen.

“fiquei fascinado pelo acoplamento solar-terrestre e pela história pessoal de Birkeland. Ele é quem inspirou o interesse Norueguês na pesquisa solar”, diz Pål Brekke.

hoje, estudos da atmosfera são realizados em universidades em Oslo e Tromsø, no Birkeland Centre em Bergen e no University Centre em Svalbard (UNIS). O Centro Espacial Andøya, na costa oceânica mais externa de Vesterålen, também é um contribuinte importante. Foguetes de pesquisa são lançados e são usados para medir como o sol afeta a atmosfera na Terra.”Tudo isso pode estar relacionado de volta a Birkeland”, observa Pål Brekke, acrescentando que a Noruega – graças aos primeiros esforços do país no campo da pesquisa solar – foram contribuintes para o satélite SOHO da NASA, que ainda está circulando o sol após 22 anos, o satélite Japonês Hinode e o satélite americano IRIS. O Instituto de Astrofísica teórica da UiO é o detentor dos dados desses satélites depois que as informações foram recuperadas do espaço através das enormes antenas em Svalsat em Svalbard.O fato de que a Noruega deveria se tornar a nação líder na física solar não era um desenvolvimento previsível, mas a Noruega se beneficiou da herança de Birkeland. Nós possuímos todo o pote de mel, musas Pål Brekke.A humanidade usa cada vez mais tecnologia que é vulnerável a tempestades solares. Quando as luzes do Norte estão violentamente ativas, isso tem um impacto em nossos sistemas de navegação.

nosso grande sonho é projetar estações meteorológicas no espaço que possam prever horários em que a navegação possa ser confiável.

” Birkeland tem sido muito importante neste contexto. Ele estabeleceu a primeira pesquisa espacial na Noruega. Como a Noruega tem uma localização particularmente boa que nos permite cobrir todo o ciclo diário das luzes do Norte, com a aurora noturna em Tromsø e a aurora diurna em Svalbard, tivemos excelentes condições para continuar seu trabalho”, afirma Jøran Moen.Ele acrescenta que Birkeland e seus colegas de trabalho foram os primeiros cientistas que viram a necessidade de combinar teoria, experimentação e cálculos. Em nossa era moderna, essas coisas agora são tidas como garantidas em todas as disciplinas de Ciências Naturais.

um problema ainda não resolvido

embora seja agora um século desde a morte de Kristian Birkeland, todos os mecanismos físicos na atmosfera ainda não são totalmente compreendidos.

um dos maiores desafios é como explicar a turbulência no plasma. O Plasma é gás com átomos carregados. Toda a ionosfera, que é a camada mais externa da exosfera, consiste em plasma. O Plasma é afetado por campos eletromagnéticos.Quando as tempestades solares chovem na terra, elas causam turbulência no plasma. Isso, por sua vez, muda a direção dos sinais de rádio e GPS. Para poder prever como será o clima no espaço, é preciso entender como a turbulência se comporta.Tempestades solares contêm grandes quantidades de energia.

“a turbulência é uma maneira de quebrar a energia. A energia nunca desaparece, mas muda continuamente, como em ondas, instabilidade ou calor. Infelizmente, esta é uma questão básica na física clássica, e não a entendemos completamente”, admite Jøran Moen.A turbulência é impossível de estudar a partir daqui na Terra. Os satélites, além disso, estão em órbita muito alta no espaço. A solução, portanto, é medir a turbulência usando foguetes. Nos últimos anos, Moen lançou uma série de foguetes.

um único foguete retorna medições ao longo de apenas uma trajetória.

“precisamos de medidas tridimensionais.Para resolver isso, Jøran Moen – em cooperação com a NASA – lançará agora quatro foguetes paralelos ao mesmo tempo. Eles serão lançados na virada de 2018-2019.

“o que Birkeland faria se ele estivesse vivo hoje?”

” eu tenho dado que um monte de pensamento. Muito provavelmente, ele teria continuado a pesquisar eletromagnetismo, porque é um campo que ainda tem muitos quebra-cabeças para resolver.”Para entender a extosfera (Atmosfera da Terra), precisamos entender mais sobre sua conexão com a atmosfera solar. Nossa compreensão do sol ainda está faltando, e ainda não podemos prever o clima no espaço. Depois de entendermos tudo isso, também seremos capazes de entender a atmosfera em outros planetas”, conclui Jøran Moen.

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