Kungen av norrsken

denna artikel publicerades ursprungligen på Apollon – research magazine från Universitetet i Oslo. Läs den ursprungliga artikeln.

Norsk professor Kristian Birkeland (1867-1917) var den allra första forskaren i världen som insåg att norrskenet hade något att göra med de elektromagnetiska stormarna från solen. Han var också mannen bakom den fantastiska uppfinningen som gjorde det möjligt att göra gödselmedel genom att skörda kväve från luften. Upptäckten var grunden för grundandet av Norsk Hydro och industrial bonanza vid Notodden och Rjukan. Sist men inte minst: Birkeland var ansvarig för 60 nya patent för allt från margarin och kaviar till en elktromagnetisk kanon. Men viktigast ur vårt perspektiv idag är kanske att han lagt grunden för mycket av den moderna forskningen inom rymd-och solfysik.

trots Birkelands banbrytande uppfinningar förflyttades han ändå nästan till glömska. Tyvärr kunde han inte bevisa sina spektakulära teorier om norrskenet. Internationella forskare av resning protesterade högljutt mot Birkelands teorier. Fyrtio år efter hans död nämndes han knappast i läroböckerna som användes vid universitetet i Oslo (UiO). Det var först senare, när det blev möjligt att utföra mätningar från satelliter i rymden, att hans nordliga ljus – och störningar i jordens magnetfält – teorier bekräftades.

apollon logotyp

apollon logotyp

under de senaste tjugo åren har hans ansikte prydt den norska 200-kronorssedeln, även om få personer har uppmärksammat figuren på den allmänt använda sedeln.

UiO planerar nu att fira professorns och uppfinnarens 150-årsjubileum med ett antal evenemang i både Norge och Japan.

även om Birkeland börjar bli erkänt och har blivit föremål för mycket skrivande, finns det fortfarande många anekdoter från hans liv som forskare som allmänheten ännu inte har hört.

en vetenskaplig guldgruva

en person som vet mycket om Birkeland är Professor Emeritus alv Egeland (85) av Debehandling av fysik. Egeland var inblandad för 50 år sedan i att arrangera hundraårsjubileet till ära för Birkeland 1967. Han har också skrivit flera böcker om Birkeland.

de skotska och tyska fysikerna James Maxwell (1831-1879) och Heinrich Hertz (1857-1879).var två inspirationskällor för Birkeland. Båda var ledande myndigheter inom elektromagnetism. Maxwell var teoretiker. Han beskrev hur elektromagnetiska vågor rör sig och sprids. Hertz var försöksledaren. Han lyckades testa Maxwells teorier i praktiken.

” elektromagnetism blev en nyfunnen guldgruva för unga Birkeland. Redan som skolpojke hade han köpt sin egen magnet-med sina egna pengar. Han använde magneten för många överraskande experiment och praktiska skämt under skollektionerna. Inte alla birkelands lärare var imponerade av hans experiment.”

senare i livet, berättar Alv Egeland, birkelands studier av elektromagnetism och jordens magnetfält skulle bli de viktigaste bidragen i hans forskning.
så snart Birkeland hade examen från universitetet började han experimentera med elektriska svängningar längs en metalltråd.

1895 började han pionjärstudier av katodstrålar, en ström av elektroner i ett vakuumrör som sker genom högspänning som passerar mellan negativa och positiva laddade elektroder.

” Birkeland drog slutsatsen att katodstrålarna består av elektriskt laddade partiklar och kan styras av ett magnetfält.”

skapade konstgjorda norrsken

under nästa år blev Birkeland intresserad av sambandet mellan solfläckar och norrsken. Han använde katodstrålar för att skapa konstgjorda norrsken i ett laboratorium, och han drog slutsatsen att aurora borealis orsakas av elektriskt laddade partiklar från solen som styrs in i den polära atmosfären av det geomagnetiska fältet runt jorden. Han ansåg också att atmosfären bestod av ett stort antal elektriska partiklar.

” birkelands northern lights-teori baserades på elektromagnetiska krafter i rymden, från solen. Hur han kom på tanken är fortfarande ett mysterium. Birkelands hypoteser bekräftades inte förrän Rymdåldern, cirka sextio år senare. Till och med idag, mer än femtio år efter rymdålderns gryning, är hans visionära framsynthet imponerande,” säger Egeland.

det var inte förrän på 1970-talet, vid en tidpunkt då det var möjligt att utföra exakta mätningar via satelliter, som Birkelands teorier visade sig vara korrekta. Partiklar från solstormar slår jorden med våldsam kraft. Partiklarna bromsas av jonosfären. Denna friktion överför så mycket energi till partiklarna i atmosfären att de tänds.

innan Birkeland anlände till platsen trodde många forskare att Aurora Borealis orsakades av en speciell norrskengas, partiklar som innehåller järn, lokala elektriska strömmar i atmosfären eller meteordamm.

” även om Birkelands hypotes var den första realistiska teorin om norrskenet, måste förklaringen till de olika formerna, färgerna, rörelserna och höjderna i norrskenet lämnas till rymdåldersforskare.”

Birkeland upplevde väldigt lite stöd under sin livstid, särskilt från de främsta forskarna i England. De var inte övertygade om att solen var källan till norrskenet. Vi kommer tillbaka till denna enorma kritik nedan.

detta är en berättelse som beskriver hur kända forskare sparkar benen ut ur innovativa ideer som avviker från allmänt accepterade, vanliga begrepp. Men först, låt oss njuta av några underhållande detaljer baserat på hans experiment.

återskapade universum

Birkeland gjorde reproduktioner av solsystemet och jorden i en vakuumkammare. Dessa kallades Terrella-experimenten. Termen terrella är Latin och betyder ‘en liten modell av jorden’.

” experimenten var tidskrävande. Det tog flera dagar att skapa ett vakuum i kammaren. Han placerade en elektromagnet inuti terrella. Med detta kunde han producera konstgjorda norrsken. Men det finns några missuppfattningar i anekdoten om Birkeland. De första experimenten med konstgjorda norrsken genomfördes inuti ett utloppsrör, ” påpekar Alv Egeland.

under de följande åren gjorde Birkeland nyare och bättre terellor.

“experimenten var lysande, inte minst med hänsyn till att vetenskapen vid den tiden inte hade definierat elektroner som separata partiklar”, förklarar Professor J.

universums massa i den största terella-modellen var cirka 1000 liter. Birkeland sköt moln av elektroner på “jorden” med elektrisk ström från en generator. Spänningen var 25 000 V. Det är mer än hundra gånger spänningen i ditt hushållsuttag.

“Birkeland blir gradvis alltmer intresserad av solen, kometerna, Saturns ringar, yttre rymden och den fysiska världens ursprung, som han skrev mycket om i sitt 850-sidiga stora forskningsbidrag”, säger Alv Egeland.

hans erfarenheter var långt ifrån en billig tidsfördriv. De var kostsamma att genomföra. Det var en tid då Norge var ett fattigt land och universitetet hade lite pengar.

” hans löner från universitetet var otillräckliga. Han täckte huvuddelen av kostnaderna själv, och han tillbringade sina personliga intäkter från Hydro för att finansiera laboratoriet och lönerna för de sex till åtta assistenterna han anställde. Rektor för universitetet i Oslo, sem S. S. I. S., som presiderade 1928-1936, skulle säga att ingen annan anställd någonsin hade spenderat så mycket av sin egen lön på forskning som han själv utförde.”

ansträngande vinter

en av Birkelands största önskemål var att bestämma norrskenets höjd. Det var under en tid då norrskenet ansågs sjunka hela vägen ner till trädtopp i Lappland. Vi vet idag att norrskenet skapas flera hundra kilometer över marknivå.

för att upptäcka detta hade Birkeland en forskningsstation byggd ovanpå Samis” Sacred Mountain ” Haldde, på nästan tusen meter över havet med utsikt över K Jacobfjord i Alta.

uppstigningen var ansträngande. Vid den tiden tog vandringen till fots cirka fyra timmar. När de försökte hitta det mest lämpliga toppmötet för ett nytt observatorium kom de nära att förgås i en snöstorm.

Brikeland tillbringade vintern på toppen av Haldde med två assistenter. Det var stormar eller orkan stormar varannan dag. Flera av deras vetenskapliga instrument förstördes och måste repareras. Rökflödesomvandling från kolkaminen skulle fylla bostaden med rök. De flyttade från plats till plats på skidor, snöskor och stegjärn när förhållandena var isiga. En av assistenterna dog i en lavin i Mars.

tio år senare byggde Birkeland ett bekvämare och större observatorium på toppen av berget Haldde. Under perioden 1912-1919 bodde sjutton personer på bergstoppen, varav sju barn. Tre av dessa föddes där uppe.

under denna period användes forskningsstationerna också för meteorologiska observationer. Även om norrskenet aldrig ens betade toppen av berget, fortsatte Birkeland sin forskning, outtröttligt och med förnyad uthållighet.

öronbedövande buller

en av hans stora källor till stolthet var en elektrisk kanon han gjorde. Det var tänkt att avfyras, men med el istället för krut. Tio kilo järnstycken drevs ut ur kanonens mun med en sådan hastighet att de gick ut med kulans kraft.

Kaiser Wilhelm av Tyskland hoppades att uppfinningen skulle revolutionera krigföring. Det franska krigsministeriet var mycket intresserad av Birkelands kanon.

kanonen testades offentligt 1903 i den ärevördiga bankettsalen, nu känd som den gamla bankettsalen i Domus Academica-byggnaden på Karl Johan gate. Testbränningen var ett misslyckande, men det markerade början på det största industriella äventyret i Norges historia.

det fanns stora förväntningar. Bankettsalen var fylld med gäster. Två regeringsministrar och företrädare för industrin var närvarande – tillsammans med agenter från den internationella vapenindustrin. Fridtjof Nansen observerade förfarandet uppmärksamt från första raden.

” projektilen som skulle avfyras från kanonen vägde tio kilo “Birkeland försäkrade församlingen:” ni kan sitta lugnt, mina damer och herrar. När jag slår på strömbrytaren kommer du varken att se eller höra något annat än ljudet från projektilen som träffar målet.”Han vred sedan omkopplaren, berättar Egeland i sin bok med titeln naturforskare och Industriforskare Kristian Birkeland.

det var en öronbedövande, sprakande och sputtering uppståndelse.

kanonen hade kortslutits. Flammor spydde ut ur kanonens mun. Vissa kvinnor skrek och” skrek av rädsla”, och för ett ögonblick fanns det tecken på panik i hallen..

” det var den mest dramatiska händelsen i mitt liv. Med det enda skottet sjönk mina aktier från 300 till noll, men projektilen slog målet,” kommenterade Birkeland efteråt.

när han hade testat kanonen tidigare samma dag hade allt fungerat som avsett.

“den uppmärksamhet som händelsen lockade var förutsägbart negativ, men Birkeland fick stor njutning ur upproret”, säger Alv Egeland.

det elektriska inferno som sköt ut ur kanonen hade en temperatur på mer än tusen grader och kallades senare Birkelands ‘plasmabåge’.

den höga temperaturen beror på att elektriskt laddade partiklar skjuter fram och tillbaka med hög hastighet.

” elektroner i rörelse resulterar i intensiva elektriska strömmar omgivna av ett magnetfält. Detta liknar en solvindplasma i kosmos.”

Birkeland observerade snart de oförutsedda. I spolens magnetfält sprids den elektriska ljusbågen från kortslutningen i en fantailform-och här ligger Birkelands upptäckt.

” fiaskot glömdes bort. Från och med den här tiden var Birkeland intresserad av elbågen,” skriver Alv Egeland.

grundare av Norsk Hydro

kanonexperimentet ledde till oförutsedda konsekvenser. Några år tidigare hade den brittiska forskaren Sir William Crookes varnat det vetenskapliga samfundet för bristen på kalciumnitrat i världen, en av huvudingredienserna i tillverkningen av gödselmedel. Crookes uppfattning var att en lösning för att producera gödselmedel kunde vara förtjust i att hämta kväve direkt från luften. Han trodde att detta skulle vara en av de största uppfinningarna i framtiden och skulle kunna rädda världen från förestående hungersnöd.

den misslyckade kanonskjutningen i den ärevördiga gamla festsalen blev just grunden för modern gödselproduktion.

ljusbågens form bekräftade några av de teorier som Birkeland redan hade tänkt.

ljusbågen kunde bryta trippelbindningen i kvävemolekylerna. Den facklliknande flamman producerade kväveoxid, som är grundföreningen i saltpeter och ett nyckelelement i gödselmedel.

forskare och industriister över hela världen hade varit på jakt efter en lösning. Birkeland pippade dem alla på posten.

upptäckten var en hörnsten i grundandet av Norsk Hydro. Konstgjord produktion av saltpetre krävde enorma mängder energi. Norge var rikt utrustad med vattenfall. Följaktligen var elpriset lågt.

” det här är en fantastisk historia. Norsk Hydro skulle kanske aldrig ha sett dagens ljus utan den oavsiktliga explosionen i den gamla festsalen. Sådan är forskningsvärlden. Ideer uppstår plötsligt helt enkelt”, säger solforskaren p Jacobl Brekke, seniorrådgivare vid norska rymdcentret.

även om det misslyckade experimentet i den gamla festsalen har gått ner i historieböckerna som just den dag tanken inträffade för Birkeland, påpekar Alv Egeland att Birkeland möjligen redan hade tänkt på tanken före den misslyckade demonstrationen.

Birkeland träffade industrientreprenören Sam Eyde vid en middag värd för statsråd Gunnar Knudsen tre veckor före kortslutningsolyckan i Domus Academica.

” Sam Eyde var en formidabel drivkraft. Han förhandlade redan med tyskarna om att tillverka gödselmedel från atmosfären.”

Sam Eyde och Birkeland tog omedelbart till varandra. Birkeland började omedelbart genomföra experiment vid universitetet.

vid den tiden var Eyde en av Norges mest kända män. Medierna förföljde honom nära.

” han var väl medveten om hur man kapitaliserar på en händelse.”

explosionen i den gamla festsalen var lockande bete för media.

hur som helst, när upptäckten började bära frukt,

“Birkelands upptäckt och samarbete med Eyde markerade starten på den industriella bonanza atNotodden och Rjukan. Eyde blev “royalty” på Rjukan och var många gånger mer känd än Birkeland, ” alv Egeland understryker.
sorgligt öde

under de senaste fem åren av Birkelands liv fascinerades han av zodiakljus, ett märkligt glittrande ljus vid ekvatorn som bara är en miljondel av fullmånens ljusstyrka. Birkeland kunde fastställa att ljuset orsakades av katodstrålar från solen. Han hade en uppfattning att ljuset varierade i proportion till solaktivitet och med störningar i jordens magnetfält.

efter en lång vistelse i Afrika längtade han efter att återvända till Norge, men vid denna tid rasade första världskriget. Därför gjorde han en omväg via Tokyo, där han hade nära kollegor och vänner.

Birkeland var mentalt obalanserad och bara femtio år gammal när han slutade sitt liv i den japanska huvudstaden. Efter hans död blev han nästan helt bortglömd, tills modern rymdutforskning mot slutet av 1960-talet gjorde det möjligt att bevisa Birkelands teorier om norrsken.

” Birkeland representerade den övre skorpan i det norska vetenskapliga samfundet. Som en frispråkig visionär mötte han motstånd, särskilt bland de vanliga brittiska forskarna. En nackdel för Birkeland var att de flesta av hans vetenskapliga artiklar skrevs på Franska – inte på engelska.”

British ridicule

efter Birkelands död bar hans teorier hård kritik från den engelska vetenskapsakademin, Royal Society. Frontlinjekritikern var Professor Sydney Chapman, en lysande matematiker och fysiker, liksom den största rymdforskaren från 20-talet.

britterna var inte överens med Birkelands teori om norrsken och stödde istället uppfattningen att de orsakades av ett system med lokala elektriska strömmar i den övre atmosfären.

” när forskare från Royal Society talade var det få som vågade bestrida vad de sa, enligt Alv Egeland, som själv studerade fysik i slutet av 1950-talet.”

under denna tid hänvisade alla till Chapman och British school. Chapmans skrifter fanns på kursplanen vid universitetet i Oslo. Birkelands auroral teori och terrellas nämndes knappast. Hans teorier blev praktiskt taget förlöjliga.

” Chapman var ett geni av en forskare och högt respekterad, men han vägrade att tolerera en teori som inte kunde bevisas. Det var omöjligt att ta testmätningar i yttre rymden före tillkomsten av satelliter. Birkelands geni bestod i simulering; medan Chapman och alla andra baserade sina teorier på mindre observationer och statistiska modeller simulerade Birkeland utrymme i ett laboratorium. Ingen före honom hade gjort detta.”

1967, ett århundrade efter Kristian Birkelands födelse, arrangerade International Association of Geomagnetism and Aeronomy (Iaga) det första Birkeland symposiet i Sandefjord.

Totalt 170 forskare från hela världen diskuterade de senaste prestationerna inom det område där Birkeland hade varit en pionjär.

det föreslogs att beteckna källan till norrskenet som”Birkeland-strömmar”.

” huvudgästen, Chapman, öppnade symposiet. Vi trodde att han skulle berömma Birkeland, men han uttryckte sig inte i mycket diplomatiska termer och han chockade många av lyssnarna. Han kunde inte säga något positivt om Birkelands forskning. Enligt hans åsikt hade Birkeland producerat en blandning av fakta och fel.”

de första observationerna från satelliter registrerades redan, men kvaliteten på data var fortfarande otillräcklig.

det var först i början av 1970-talet som den brittiska skolan accepterade beviset att de elektriska strömmarna flödade på det sätt som Birkeland hade teoretiserat 60 år tidigare.

” vad hade Chapman att säga då?”

” det tog ett tag, men han bad äntligen om ursäkt för att ha misstagit sig. Hans kommentarer om Birkeland blev mindre kritiska, och fler och fler forskare började acceptera Birkelands förklaring. Några år senare skrev Chapman att Birkeland hade uppnått viktiga framsteg när det gäller att förklara norrsken och magnetiska stormar,” berättar Egeland.

en period på sextio år hade gått från det att Birkeland avancerade sin northern lights-teori tills teorin bevisades.

“det var inte förrän då som forskare erkände det faktum att Birkeland hade haft rätt hela tiden”, säger P Bisexl Brekke.

nominerad till Nobelpriset

Kristian Birkeland nominerades till Nobelpriset åtta gånger, fyra gånger i kemi och de andra fyra gånger i fysik. Men han tilldelades aldrig priset. Det var olyckligt för Birkeland att Sam Eyde insisterade på att Birkeland skulle behöva dela Nobelpriset med honom. Detta utesluter alla chanser att få priset.

” Sam Eyde var ingen forskare, men trots detta var han mycket mer besatt av att få priset än Birkeland var. Eyde kände också att om han inte kunde få priset var det bäst om Birkeland inte fick det heller.
men 1994 hedrades Birkeland välförtjänt. Hans porträtt valdes på framsidan av den norska 200-kronorssedeln.”

Birkeland ‘ s heritage

Professor J Jacobran Moen, som för närvarande innehar birkelands professur , är en av Norges främsta forskare av norrskenet och de övre delarna av jordens atmosfär.

” rymdforskning har visat att Birkeland var otroligt visionär. Hans hypoteser om solen och universum var föremål för mycket uppmärksamhet efter att satelliter började avslöja många av rymdens hemligheter,” påpekar J Sackarran Moen.

” jag blev fascinerad av sol-terrestialkopplingen och av Birkelands personliga historia. Han är den som inspirerade norskt intresse för solforskning”, säger P Exceptl Brekke.

idag bedrivs studier av atmosfären vid universiteten i Oslo och Troms, vid Birkeland Centre i Bergen och University Centre i Svalbard (UNIS). Och auguiya Space Center på den yttersta havsstranden i Vester Auguillen, är också en viktig bidragsgivare. Forskningsraketer lanseras och används för att mäta hur solen påverkar atmosfären på jorden.

“allt detta kan relateras tillbaka till Birkeland”, konstaterar p Bisexl Brekke och tillägger att Norge – tack vare landets tidiga ansträngningar inom solforskning – var bidragsgivare till NASAs SOHO-satellit, som fortfarande cirklar solen efter 22 år, den japanska satelliten Hinode och den amerikanska IRIS-satelliten. Institutet för teoretisk astrofysik vid UiO är innehavaren av data från dessa satelliter efter att informationen har hämtats från rymden via de enorma antennerna vid Svalsat på Svalbard.

det faktum att Norge skulle bli den ledande nationen inom solfysik var inte en förutsägbar utveckling, men Norge gynnades av Birkelands arv. Vi äger hela potten av honung, p Exceplil Brekke muses.

mänskligheten använder allt mer teknik som är sårbar för solstormar. När norrskenet är våldsamt aktivt påverkar det våra Navigationssystem.

vår stora dröm är att designa väderstationer i rymden som kan förutse tider när navigering kan lita på.

” Birkeland har varit mycket viktigt i detta sammanhang. Han etablerade den allra första rymdforskningen i Norge. Eftersom Norge har ett särskilt bra läge som gör det möjligt för oss att täcka hela den dagliga cykeln av norrsken, med natt norrsken i Troms och dagtid norrsken på Svalbard, vi har haft utmärkta förutsättningar för att fortsätta sitt arbete,” J.

han tillägger att Birkeland och hans medarbetare var de första forskarna som såg behovet av att kombinera teori, experiment och beräkningar. I vår moderna tid tas dessa saker nu för givet i alla naturvetenskapliga discipliner.

ett fortfarande olöst problem

även om det nu är ett sekel sedan Kristian Birkelands död, är alla fysiska mekanismer i atmosfären ännu inte helt förstådda.

en av de största utmaningarna är hur man förklarar turbulensen i plasma. Plasma är gas med laddade atomer. Hela jonosfären, som är exosfärens yttersta lager, består av plasma. Plasma påverkas av elektromagnetiska fält.

när solstormar regnar ner på jorden orsakar de turbulens i plasma. Detta ändrar i sin tur riktningen för radio-och GPS-signaler. För att kunna förutsäga hur vädret i rymden kommer att bli måste man förstå hur turbulensen beter sig.

solstormar innehåller stora mängder energi.

” turbulens är ett sätt att bryta ner energin. Energi försvinner aldrig, men förändras ständigt, till exempel i vågor, instabilitet eller värme. Tyvärr är detta en grundläggande fråga i klassisk fysik, och vi förstår det inte fullt ut,” medger J Jacobran Moen.

turbulens är omöjligt att studera härifrån på jorden. Satelliterna är dessutom i omlopp för högt i rymden. Lösningen är därför att mäta turbulens med raketer. Under de senaste åren har Moen lanserat ett antal raketer.

en enda raket returnerar mätningar längs endast en bana.

” vi behöver tredimensionella mätningar.”

för att lösa detta kommer J Jacobran Moen – i samarbete med NASA – nu att lansera fyra parallella raketer samtidigt. De kommer att lanseras i början av 2018-2019.

” vad skulle Birkeland göra om han hade levt idag?”

” jag har tänkt mycket på det. Mest troligt skulle han ha fortsatt att undersöka elektromagnetism, eftersom det är ett fält som fortfarande har många pussel kvar att lösa.”

” för att förstå extosfären (jordens atmosfär) behöver vi förstå mer om dess samband med solatmosfären. Vår förståelse av solen saknas fortfarande, och vi kan fortfarande inte förutse vädret i rymden. När vi väl har förstått allt detta kommer vi också att kunna förstå atmosfären på andra planeter,”avslutar J.

relaterat innehåll

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.