Den norske professoren Kristian Birkeland (1867–1917) var den aller f?rste i verden som skj?nte at nordlyset hadde en sammenheng med de elektromagnetiske stormene fra solen. Han var ogs? mannen bak den eventyrlige oppfinnelsen som gjorde det mulig ? lage kunstgj?dsel ved ? h?ste nitrogen fra lufta. Det var nettopp denne oppfinnelsen som la grunnlaget for Hydro og industrieventyret p? Notodden og Rjukan. Og sist, men ikke minst: Han stod bak 60 patenter, alt fra margarin og kaviar til en elektromagnetisk kanon. Men det som kanskje er det viktigste, sett med dagens ?yne: Birkeland la grunnlaget for mye av dagens forskning innen rom- og solfysikk.
Selv om Birkeland gjorde banebrytende oppdagelser, holdt han likevel p? ? g? i glemmeboken. Uheldigvis var ikke de spektakul?re nordlysteoriene hans mulige ? bevise. Internasjonale vitenskapsmenn av ypperste klasse protesterte heftig mot teoriene hans. F?rti ?r etter hans d?d ble han knapt nevnt i l?reb?kene p? Universitetet i Oslo (UiO). F?rst da det var mulig ? gj?re m?linger fra satellitter, ble nordlysteorien hans bekreftet.
De siste tjue ?rene har han figurert p? de norske 200-kronersedlene, selv om mange knapt har enset hvem den avbildete mannen p? sedlene er.
N? markerer UiO150-?rsjubileet for professoren og oppfinneren, med en rekke arrangementer i b?de Norge og Japan.
Selv om Birkeland begynner ? bli kjent og det er skrevet masse om ham, fins det likevel en del godbiter fra forskerlivet hans som fortsatt ikke er allment kjent.
Vitenskapelig gullgruve
En av dem som kan mest om Birkeland, er professor emeritus Alv Egeland (86) p? Fysisk institutt. Han var med p? ? arrangere hundre?rsjubileet til Birkeland for femti ?r siden og har skrevet flere b?ker om Birkeland.
Birkeland lot seg inspirere av den skotske fysikeren James Maxwell (1831–1879) og den tyske fysikeren Heinrich Hertz (1857–1879). De var de to store innen elektromagnetismen. Maxwell var teoretikeren. Han beskrev hvordan elektromagnetiske b?lger sprer seg. Hertz var eksperimentatoren. Han klarte ? teste ut Maxwells teorier i praksis.
– Elektromagnetismen ble en nyoppdaget gullgruve for unge Birkeland. Allerede som skolegutt kj?pte han – for egne penger – sin egen magnet. Han brukte magneten til mange overraskende fors?k og spillopper i timene. Ikke alle l?rerne satte pris p? eksperimentene hans. Senere i livet skulle studier av elektromagnetismen og jordens magnetfelt bli et av de viktigste bidragene i forskningen hans, forteller Alv Egeland.
Med en gang Birkeland var ferdig med embetseksamen, eksperimenterte han med elektriske svingninger langs en metalltr?d.
I 1895 begynte han ? studere katodestr?ler, en str?m av elektroner i lufttomme r?r som oppst?r ved h?ye spenninger mellom en negativ- og en positivladet elektrode.
– Birkeland slo fast at katodestr?lene best?r av elektrisk ladde partikler og kan styres av et magnetfelt. Ingen hadde unders?kt dette f?r.
Fremstilte kunstig nordlys
elektromagnetisme kunne skape nordlys. Foto: MUV/UiO
?ret etter ble Birkeland interessert i sammenhengen mellom solflekker og nordlys. Han brukte katodestr?ler til ? fremstille kunstig nordlys i laboratoriet, og slo fast at nordlyset skyldes elektrisk ladde partikler fra solen som ledes inn i den polare atmosf?ren ved jordens magnetfelt. Han mente ogs? at atmosf?ren v?r best?r av store mengder frie elektriske partikler.
– Nordlysteorien til Birkeland baserte seg p? elektromagnetiske krefter i verdensrommet. Det er fortsatt et mysterium hvordan han fikk ideen. Hypotesene til Birkeland ble f?rst bekreftet i romalderen, seksti ?r senere. Selv i dag, mer enn femti ?r etter at romalderen begynte, er det imponerende hvor fremsynt han var, sier Egeland.
F?rst p? syttitallet, da det var mulig ? gjennomf?re n?yaktige m?linger fra satellitter, kunne det sl?s fast at Birkelands teorier stemmer. Partiklene fra solstormene treffer jorden med voldsom kraft. Partiklene bremses i luften. Kollisjonen overf?rer s? mye energi til partiklene i atmosf?ren at de lyses opp.
F?r Birkeland kom p? banen, trodde mange forskere at nordlyset enten skyldtes en spesiell nordlysgass, jernholdige partikler, lokale elektriske str?mninger i atmosf?ren eller meteorst?v.
– Selv om Birkelands hypotese ble den f?rste realistiske nordlysteorien, m?tte forklaringen p? de ulike formene, fargen, bevegelsene og h?yden til nordlyset overlates til forskerne i romalderen.
Birkeland fikk sv?rt liten st?tte, spesielt av datidens fremste forskere i England. De trodde ikke p? at solen var kilden til nordlyset. Apollon kommer tilbake til den enorme kritikken. Dette er historien om hvordan anerkjente forskere spenner bein under nybrottsideer som bryter med den allmenne oppfatningen. Men f?rst noen artige detaljer fra eksperimentene hans.
Gjenskapte verdensrommet
Birkeland lagde reproduksjoner av solsystemet og jorden i lufttomme rom. De ble kalt for Terrella-eksperimentene. Terrella er det latinske ordet for ?en liten modell av jorden?.
– Eksperimentene var tidkrevende. Det tok flere dager ? lage et lufttomt rom. Inne i Terrellaen plasserte han en elektromagnet. Her produserte han kunstig nordlys. Men det er noen misforst?elser i historien om Birkeland. De f?rste kunstige nordlysfors?kene ble gjort i et lysr?r, poengterer Alv Egeland.
I ?rene fremover lagde Birkeland stadig nye og bedre Terrellaer.
– Eksperimentene var geniale, ikke minst med tanke p? at vitenskapen den gangen ikke hadde definert elektroner som egne partikler, forteller professor J?ran Moen p? Fysisk institutt.
Verdensrommet i den st?rste Terrellaen var p? 1000 liter. Birkeland skj?t elektronskyer mot ?jorden? med str?m fra en generator. Spenningen var p? 25 000 volt. Det er over hundre ganger mer enn i stikkontakten din.
– Etter hvert ble Birkeland mer og mer opptatt av solen, kometer, Saturns ringer, det store verdensrommet og verdens tilblivelse, som han skriver mye om i hovedverket sitt p? 5,1 kilo, sier Alv Egeland.
Eksperimentene var ingen billig forn?yelse. Fors?kene var dyre ? gjennomf?re. Det var den gangen Norge var et fattig land og universitetet hadde lite penger.
– Universitetsl?nnen holdt ikke. Han m?tte dekke alle kostnadene selv og brukte pengene han tjente p? Hydro, til b?de laboratoriet og l?nningene til de seks til ?tte assistentene sine. Sem S?land, universitetets rektor fra 1928 til 1936, sa at ingen andre hadde brukt s? mye av l?nnen sin til egen forskning.
Strabasi?s overvintring
Et av de store ?nskene til Birkeland var ? bestemme h?yden p? nordlyset. Det var den gangen man trodde at nordlyset rakk helt ned til tretoppene i Lappland. N? vet vi at nordlyset dannes flere hundre kilometer over bakken.
For ? finne ut av dette bygde Birkeland en forskningsstasjon p? toppen av ?Det hellige fjellet? til samene, Haldde, p? nesten tusen meters h?yde ved K?fjord i Alta.
– Turen opp var strabasi?s. Den gangen tok fotturen tre til fire timer. Da de skulle finne ut av hvilken fjelltopp som var best egnet til et nytt observatorium, holdt de p? ? omkomme i sn?storm.
Sammen med to assistenter overvintret Birkeland p? Haldde. Annenhver dag var det storm eller orkan. Flere av instrumentene ble ?delagt. Kullosen fra fyringen bl?ste inn i huset. De bevegde seg med ski og truger og isbrodder n?r det var h?lkef?re. I mars omkom den ene assistenten i sn?skred.
Ti ?r senere bygde han et nytt observatorium p? Haldde. Fra 1916 til 1919 bodde 17 personer p? fjelltoppen, hvorav sju var barn. Tre av dem ble f?dt der oppe. Denne gangen ble forskningsstasjonen ogs? brukt til meteorologiske observasjoner. Selv om nordlyset ikke streifet fjelltoppen, fortsatte Birkeland ufortr?dent med nytt p?gangsmot.
?red?vende spetakkel
En av hans store stoltheter var en elektrisk kanon. Her skulle det skytes med elektrisitet i stedet for krutt. Jernbiter ble dratt inn med s? stor kraft i det elektromagnetiske feltet, at de fl?y ut som gev?rkuler.
Den tyske keiser Wilhelm II h?pet oppfinnelsen kunne revolusjonere kriger. Det franske krigsministeriet viste stor interesse for kanonen hans.
Kanonen ble testet ut i all offentlighet i 1903 i den ?rverdige festsalen, n? Gamle festsal i Urbygningen p? Karl Johan. Fors?ket endte fatalt, men ble begynnelsen p? et av Norgeshistoriens aller st?rste industrieventyr.
Forventningen var stor. Festsalen var full. To statsr?der og industrien var til stede – samt representanter for internasjonal v?penindustri. Fridtjof Nansen biv?net det hele fra f?rste rad.
Projektilet til kanonen veide ti kilo. Birkeland beroliget forsamlingen: ?De kan sitte ganske rolig. N?r jeg sl?r p? bryteren vil De verken se eller h?re noe uten smellet av projektilet mot skiven.? S? slo han p? bryteren, skriver Egeland i boken sin om ?Naturvitenskapsmannen og industriforskeren Kristian Birkeland?.
Det ble et ?red?vende og fresende spetakkel.
Kanonen kortsluttet. Flammene sto langt ut av munningen. Noen damer hvinte og ?skrek av skrekk?, og et ?yeblikk var det till?p til panikk.
– ?Det var det mest dramatiske ?yeblikk i mitt liv. Med det ene skudd skj?t jeg mine aksjer fra 300 til null, men prosjektilet satt i blinken,? kommenterte Birkeland den gang.
Da han testet kanonen tidligere p? dagen, hadde alt fungert som det skulle.
– Oppmerksomheten ble naturlig nok negativ, men Birkeland hadde betydelig forn?yelse av oppstanden, sier Alv Egeland.
Den elektriske flammeskiven fra kanonen var p? over tusen grader og er i ettertid blitt kalt for Birkelands plasmafakkel.
Den h?ye temperaturen skyldtes elektrisk ladde partikler som for frem og tilbake med stor fart.
– Elektroner i bevegelse f?rer til intense, elektriske str?mmer som omgir seg med et magnetisk felt. Dette minner om solvind-plasmaen i kosmos.
Birkeland iakttok lynsnart det uventede. I spolens magnetfelt ble lysbuen fra kortslutningen spredt ut i en vifteform – og det var nettopp der det nye l?.
– Glemt var fiaskoen. N? var Birkeland opptatt av den elektriske lysbuen, forteller Alv Egeland.
Grunnla Norsk Hydro
Kanonfors?ket f?rte til uante konsekvenser. Noen ?r tidligere hadde den britiske forskeren Sir William Crookes advart om mangelen p? kalksalpeter i verden, som ble brukt som kunstgj?dsel i landbruket. Crookes mente l?sningen var ? fremstille kunstgj?dsel med direkte opptak av nitrogen fra lufta, og at dette kunne bli en av de st?rste oppdagelsene i fremtiden og redde verden fra kommende hungersn?d.
Det mislykkete fors?ket i den ?rverdige festsalen la nettopp grunnlaget for den moderne kunstgj?dselproduksjonen.
Formen p? lysbuen bekreftet noen av de teoriene som Birkeland allerede hadde i hodet.
Lysbuen var i stand til ? bryte trippelbindingen i nitrogenmolekyler. I flammeskiven ble det produsert nitrogenoksid, som er et grunnleggende element i salpeter og en n?dvendig del av kunstgj?dsel.
Vitenskapsmenn og industri over hele verden hadde jaktet p? l?sningen. Birkeland slo dem alle p? m?lstreken.
Dette ble grunnlaget for Norsk Hydro. Salpeterfremstillingen krevde enorme mengder energi. Norge hadde rikelig med fossefall. Str?mprisen var derfor lav.
– Dette er en fantastisk historie. Norsk Hydro hadde kanskje ikke sett dagens lys uten eksplosjonen i Gamle festsal. S?nn er forskning. Plutselig f?r man en idé, sier solforsker P?l Brekke p? Norsk Romsenter.
Selv om det mislykkete eksperimentet i festsalen har g?tt inn i historieb?kene som akkurat den dagen Birkeland fikk ideen, p?peker Alv Egeland at Birkeland muligens allerede fikk ideen f?r den mislykkete demonstrasjonen.
Birkeland traff industrigründeren Sam Eyde p? en middag hos statsr?d Gunnar Knudsen tre uker f?r kortslutningen i festsalen.
– Sam Eyde var en stor p?driver. Han forhandlet ogs? med tyskere om ? lage gj?dsel fra atmosf?ren.
Sam Eyde og Birkeland fant umiddelbart tonen. Birkeland begynte straks med fors?k p? universitetet.
Eyde var den gangen en av landets mest ber?mte menn. Pressen hang etter ham.
– Han visste hvordan man skulle profilere en begivenhet. Eksplosjonen i Gamle festsal var en skikkelig ?te for media.
Uansett n?r oppdagelsen skjedde:
– Birkelands oppdagelse og 澳门葡京手机版app下载 med Eyde ble starten p? det industrielle eventyret p? Notodden og Rjukan. Eyde ble ?kongen? p? Rjukan og mange ganger mer kjent enn Birkeland, p?peker Alv Egeland.
Trist sorti
De siste fem ?rene i Birkelands liv var han opptatt av Zodiakallyset, et eiendommelig lysskj?r ved ekvator, bare en milliontedel av lysstyrken fra fullm?nen. Birkeland kunne sl? fast at lyset skyldtes katodestr?ling fra solen. Han mente at lyset varierte i takt med solaktiviteten og med forstyrrelsene i jordens magnetfelt.
Etter et lengre opphold i Afrika ?nsket han seg tilbake til Norge, men dette var under den f?rste verdenskrigen. Han la derfor veien om Tokyo, der han hadde n?re kolleger og venner.
Birkeland var mentalt i ubalanse og var bare femti ?r da han avsluttet livet sitt i den japanske hovedstaden. S? gikk han nesten i glemmeboken, f?r den moderne romforskningen p? slutten av sekstitallet gjorde det mulig ? bevise Birkelands nordlysteorier.
– Birkeland representerte det ypperste av norsk vitenskap. Som djerv og visjon?r forsker m?tte han motstand, s?rlig blant toneangivende britiske forskere. Et minus for ham var at de fleste avhandlingene hans var skrevet p? fransk – og ikke engelsk.
Engelsk latterliggj?ring
Etter Birkelands d?d m?tte teoriene hans sterk kritikk av verdensledende forskere i det engelske vitenskapsakademiet Royal Society. Den fremste kritikeren var professor Sydney Chapman, en briljant matematiker og fysiker og den store romforskeren i det 20. ?rhundre.
Britene var uenige i nordlysteorien til Birkeland og mente nordlyset i stedet kunne skyldes et lokalt str?msystem i den ?vre atmosf?ren.
– N?r forskere fra Royal Society uttalte seg, var det f? som v?gde ? protestere, poengterer Alv Egeland, som selv tok hovedfag i fysikk p? slutten av 1950-tallet.
Den gangen refererte alle til Chapman og den britiske skolen. Chapmans arbeider var pensum ved UiO. Kanonen og Terrellaen ble bare nevnt i liten grad. Birkelands teorier ble n?rmest latterliggjort.
– Chapman var en genial forsker og meget respektert, men nektet ? godta en teori som ingen kunne bevise. Det var ikke mulig ? f? kontrollm?linger i verdensrommet f?r satellittene kom. Det geniale med Birkeland var at mens Chapman og alle andre gikk ut og lagde teorier fra det de observerte, simulerte Birkeland verdensrommet i et laboratorium. Det var det ingen andre som gjorde.
I 1967, hundre ?r etter Kristian Birkelands f?dsel, ble det arrangert et Birkelandsymposium i Sandefjord av verdensorganisasjonen for nordlys og magnetisme (IAGA). 170 forskere fra hele verden dr?ftet de nyeste landevinningene p? et felt der Birkeland hadde v?rt pioner.
Det var da det ble foresl?tt ? kalle kilden til nordlyset for Birkelandstr?mningene.
– Som ?resgjest ?pnet Chapman symposiet. Vi trodde han skulle skryte av Birkeland, men han uttrykte seg ikke s?rlig diplomatisk og sjokkerte mange av tilh?rerne. Han kunne ikke si noe positivt om Birkelands forskning. Han mente Birkeland hadde blandet feil og fakta.
Man hadde allerede begynt ? gj?re de f?rste observasjonene fra satellitter, men kvaliteten p? dataene var ikke god nok.
F?rst p? begynnelsen av 1970-tallet godtok den britiske skolen at de elektriske str?mmene fl?t slik Birkeland hadde foresl?tt 60 ?r tidligere.
– Hva sa Chapman da?
– Det tok sin tid, men han beklagde at han hadde tatt feil. Kommentarene hans om Birkeland ble mindre kritiske, og flere begynte ? akseptere Birkelands forklaring. Noen ?r senere skrev Chapman at Birkeland hadde gjort viktige fremskritt for ? forklare nordlyset og magnetiske stormer, forteller Alv Egeland.
Det tok alts? seksti ?r fra Birkeland la frem nordlysteorien, til den ble bevist.
– F?rst da fikk forskere den endelige bekreftelsen p? at Birkeland hadde rett, forteller P?l Brekke.
Nominert til Nobelprisen
Kristian Birkeland ble nominert til Nobelprisen ?tte ganger, fire ganger i kjemi og de andre fire gangene i fysikk, men noen pris fikk han aldri. Uheldigvis for Birkeland presset Sam Eyde p? for at Nobelprisen m?tte deles med ham. Det ?dela muligheten.
– Sam Eyde var ingen vitenskapsmann, men var likevel mye mer opptatt av ? f? prisen enn Birkeland. Og hvis Sam Eyde ikke fikk prisen, var det bedre at heller ikke Birkeland fikk noen pris.
I 1994 fikk Birkeland omsider den hederen han fortjente. Da ble han avbildet p? den norske 200-kronerseddelen.
Arven etter Birkeland
Professor J?ran Moen, som i dag sitter i professoratet til Birkeland, er en av landets fremste forskere p? nordlys og den ?vre delen av jordatmosf?ren.
– Romforskningen har vist at Birkeland var utrolig fremsynt. Hypotesene hans om solen og universet fikk stor oppmerksomhet n?r satellitter etter hvert kunne avsl?re mange av verdensrommets hemmeligheter, p?peker J?ran Moen.
– Jeg ble veldig fascinert av koblingen mellom sol og jord, og historien om Birkeland. Det var han som startet den norske interessen for solforskning, mener P?l Brekke.
til Birkeland for femti ?r siden. Egeland tok ogs?
initiativet til Birkelandforelesningene, som siden
1987 er blitt arrangert ?rlig i Det Norske Videnskaps-Akademi. Foto: Ola S?ther
I dag er atmosf?ren gjenstand for forskning ved universitetene b?de i Oslo og Troms?, Birkelandsenteret i Bergen og Universitetssenteret p? Svalbard (UNIS). And?ya Space Center helt ytterst i havgapet vest for Vester?len er ogs? en viktig brikke. Der skytes det opp raketter som forskere bruker til ? m?le hvordan solen p?virker atmosf?ren p? jorden.
– Alt dette kan du trekke tilbake til Birkeland, sier P?l Brekke, og legger til at Norge, takket v?re den tidlige satsingen p? solforskning, b?de ble med p? SOHO-satellitten til NASA, som fortsatt svever rundt solen etter 22 ?r, den japanske satellitten Hinode og den amerikanske IRIS-satellitten. Astrofysisk institutt p? UiO tar vare p? dataene fra satellittene etter at de er blitt hentet ned via de enorme antennene ved Svalsat p? Svalbard.
– Det var ikke naturlig at Norge skulle bli verdens beste p? solfysikk, men det er en arv fra Birkeland. N? sitter vi i honningkrukken, sier P?l Brekke.
Menneskeheten bruker n? stadig mer teknologi som er s?rbar for solstormer. N?r nordlyset herjer som verst, g?r det ut over navigasjonssystemene.
Den store ?nskedr?mmen er gode romv?rvarslere for ? kunne forutsi n?r navigasjonen er til ? stole p?.
– Her har Birkeland betydd mye. Han etablerte den f?rste romforskningen i Norge. Fordi Norge har en spesielt god beliggenhet for ? dekke hele d?gnsyklusen til nordlyset, med nattnordlyset i Troms? og dagnordlyset p? Svalbard, har vi hatt gode forutsetninger til ? bygge videre p? arbeidet hans, p?peker J?ran Moen.
Han legger til at Birkeland og medarbeiderne hans var de f?rste vitenskapsmennene som s? behovet for ? kombinere teori, eksperimenter og beregninger. I dag er dette en selvf?lge i naturvitenskapelige disipliner.
Fortsatt ul?st problem
Selv om det allerede er hundre ?r siden Kristian Birkeland d?de, er ikke alle de fysiske mekanismene i atmosf?ren forst?tt.
En av de aller st?rste utfordringene er ? kunne forklare turbulensen i plasma. Plasma er gass med ladete atomer. Hele ionosf?ren, som er den ?verste delen av jordatmosf?ren, best?r av plasma. Plasma p?virkes av elektromagnetiske felt. N?r solstormene rir jorden, skapes det turbulens i plasmaen. Da endres retningen p? radiosignalene og GPS-signalene. For ? kunne sp? hvordan romv?ret blir, er det n?dvendig ? forst? hvordan turbulensen oppf?rer seg.
Solstormene inneholder mye energi.
– Turbulens er en m?te ? bryte ned energien p?. Energi forsvinner aldri, men omdannes alltid til noe annet, slik som b?lger, ustabilitet eller varme. Dette er en grunnleggende problemstilling i klassisk fysikk som vi enn? ikke har forst?tt, beklager J?ran Moen.
Turbulensen er umulig ? studere fra landjorda. Satellittene svever for h?yt. L?sningen er derfor ? m?le turbulensen med raketter. Moen har de siste ?rene skutt opp en rekke raketter.
En enkelt rakett gir bare m?linger langs en enkelt linje.
– Vi trenger tredimensjonale m?linger.
For ? l?se dette skal J?ran Moen n?, i 澳门葡京手机版app下载 med NASA, skyte opp fire parallelle raketter. De blir skutt opp ved ?rsskiftet 2018/2019.
– Hva hadde Birkeland gjort hvis han levde i dag?
– Det har jeg tenkt mye p?. Mest sannsynlig hadde han fortsatt forsket p? elektromagnetisme, fordi dette faget fremdeles har mange ul?ste problemer.
– For ? forst? jordatmosf?ren m? vi skj?nne mer om sammenhengen med solatmosf?ren. Vi vet fortsatt ikke nok om solen, og vi kan fortsatt ikke varsle romv?ret. N?r vi har forst?tt alt dette, kan vi ogs? forst? atmosf?ren p? andre planeter, avslutter J?ran Moen.
PS.
Selv om Birkeland ble mest kjent for nordlys og kunstgj?dsel, stod han ogs? bak en rekke andre store oppdagelser.
* Han tok patent p? kaviar, margarin og hvalolje.
* Han lagde den f?rste radiokommunikasjonen i 1906, mange ?r f?r radioen ble oppfunnet.
* Han lanserte ideen om atomenergi og hevdet at det var mer energi i ett jernatom enn i hundre tonn kull. Han ba om st?tte fra den svenske bankdirekt?ren Marcus Wallenberg, men han takket nei og kalte ideen for Titanic.
* Han forstod at r?ntgenstr?ler kunne brukes til noe fornuftig.
* Han var ogs? den f?rste til ? forklare at formen p? komethaler kunne ha noe med solvinden ? gj?re, 60 ?r f?r solvinden ble p?vist. Han lette ogs? etter forklaringen p? Saturns ringer.