Redigerer Kristian Birkeland (avsnitt)

=== Nordlysforskningen ===
Nordlysforskningen er det som Birkeland er mest kjent for. Innenfor dette feltet gjorde han nye oppdagelser og fremsatte banebrytende teorier.

====Kunnskap om nordlyset på Birkelands tid ====
[[Fil:Voyages de la Commission scientifique du Nord, en Scandinavie, en Laponie, au Spitzberg et aux Feröe - no-nb digibok 2009040611001-72.jpg|mini|Illustrasjoner fra boken ''Voyages de la Commission scientifique du Nord, en Scandinavie, en Laponie, au Spitzberg et aux Feröe''. Ukjent forfatter, utgitt av Arthus Bertrand.]]

I tidligere tider hadde den norske skipperen [[Johan Heitman]] (1664–1740) skrevet en bok der det forklares hvordan nordlyset kan brukes som værvarsel. Dette var forøvrig noe fiskere i Nord-Norge i lange tider hadde anvendt.<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 46.]]</ref> 

Den britiske astronomen [[Edmond Halley]] (1656–1742) mente nordlyset skyldtes en magnetisk væske som lekket ut fra jorden ved polarområdene. Denne fulgte så jordens magnetfelt opp i atmosfæren, der den lyste opp.<ref>[[#PB|Brekke: ''Nordlysets far'' side 24.]]</ref>

En fransk ekspedisjon ledet av [[Joseph Paul Gaimard]] (1796–1858) hadde foretatt målinger ved Kåfjord vinteren 1838–1839. Gruppen hadde bygget fem små hytter for å observere nordlys, måle geomagnetiske felter, samt gjøre meteorologiske og astronomiske målinger. Til tross for at de hadde gjort mange målinger, ble disse aldri analysert. De gjorde samtidig målinger av nordlyset fra to observasjonsteder som befant seg 50 kilometer fra hverandre. Ut fra dette bestemte de nordlysets høyde til 150 km. Men de hadde allikevel større tiltro til målinger foretatt av [[Jean-Jacques d'Ortous de Mairan]] (1678–1771), som hadde estimert høyden til 1000 km. Dermed publiserte ikke Gaimard sine målinger.<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 48.]]</ref> 

Langt inn i den moderne tid var nordlyset sett på som et uløst mysterium for naturvitenskapen. Den første som hadde forsøkt å komme opp med en vitenskapelig teori, var den østerrikske polarforskeren [[Karl Weyprecht]] (1838–1881), som gjorde forsøk på samtidige observasjoner fra forskjellige observasjonssteder. Mellom 1882 og 1883 ble tolv stasjoner i [[Arktis]] og to i [[Antarktis]] bemannet, der forskerne både observerte nord- og sørlys samtidig med geomagnetiske målinger. Imidlertid ble målingene foretatt av forskjellige land, slik at systematiske sammenligninger mellom målingene ikke ble utført. Dermed ble det ikke utgitt noen forskningsrapport basert på disse kostbare målingene.<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 33–45.]]</ref>

På slutten av 1800-tallet hadde en funnet ut at nordlyset ikke var [[Polarisering (elektromagnetisme)|polarisert]], og det kunne dermed ikke dreie seg om et reflektert lys. Dette betydde at selve lyskilden måtte være i atmosfæren.<ref>[[#Egeland|Egeland: ''Mennesket og forskeren'' side 11.]]</ref> Helt på slutten av århundret var det også blitt utført statistiske analyser som viste at nordlyset vanligvis opptrådte i en sone rundt 2500 km fra magnetpolen. Tidligere hadde en antatt at det var sterkere desto nærmere polen en kom.<ref>[[#Egeland|Egeland: ''Mennesket og forskeren'' side 12.]]</ref>

==== De første nordlysmålingene på Halddetoppen ====
Birkeland ledet de første nordlysobservasjonene i 1897 da han var 30 år. Disse ble utført ved [[Altafjorden]], men forskergruppen ble ved et tilfelle utsatt for så sterk snøstorm at de knapt overlevde. Etter å ha holdt på i to uker med bare en eneste observasjon av nordlys, avsluttet Birkeland denne ekspedisjonen. Neste sommer reiste han tilbake til Finnmark for å planlegge den neste ekspedisjonen. Han valgte seg da ut [[Haldde|Halddetoppen]] og Talvik vest for [[Kåfjord]] i [[Finnmark]].<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 47.]]</ref>

[[Fil:The simple northern lights observatory at Haldetoppen.jpg|mini|Nordlysobservatoriet på [[Haldde|Halddetoppen]] hvor Birkeland og hans assistenter bodde vinteren 1899-1900.]]

I oktober [[1899]] startet Birkeland innflyttingen i det enkle nordlysobservatoriet han hadde fått bygget på Halddetoppen. Opp til toppen ble det transportert bygningsmaterialer, utstyr og forsyninger med en samlet vekt på 40 tonn.<ref name=EgBu50>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 50.]]</ref><ref name="Jago15">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  15.]]</ref> De første deltakerne var studentene [[Bjørn Helland-Hansen]] (1877–1957) og Elisar Boye, fysikeren [[Sem Sæland]] (1874–1940) og telegrafingeniøren Kristoffer Knudsen.<ref name="Jago1617"/> Imidlertid forfrøs Helland-Hansen fingrene sine i uvær på veg opp til Halddetoppen. Han måtte derfor amputere fingrene og ble ikke med på målingene.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  34.]]</ref> Boye døde etter at ekspedisjonen var over, da han ble tatt av et snøskred under transport av utstyret ned fra fjellet. Ved denne hendelsen døde også en annen mann som var med fra Kåfjord.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 59.]]</ref> 

Målingene startet den 1. november 1899,<ref name="Jago31">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 31.]]</ref> og fortsatte hele vinteren. Stedet ble valgt fordi nordlys forekommer oftere her enn andre steder i landet. Det barske klimaet gjorde stedet farlig, men Birkeland ville underbygge en teori om nordlyset som ville forkaste etablerte teorier om solsystemet og jorden.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 21.]]</ref> Haldetoppen hadde blitt valgt fordi den var høytliggende, nærmere 1000 meter over havet, utsikten var uhindret av vegetasjon og bygninger, og det var ikke elektrisk belysning i nærheten eller luftforurensning. Fra observatoriet kunne de se 1000 km fra horisont til horisont. For å kunne anslå nordlysets høyde var det også anlagt en annen hytte på fjellet Talvik, rundt 3,4 km unna. Med en observatør på dette stedet kunne de måle nordlyset i forhold til stjernene fra to punkter, slik at enkle geometriske beregninger kunne gi dem høyden.<ref name=EgBu50/><ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  28.]]</ref> Det var satt opp en telefonlinje mellom de to observatoriene for å få synkrone målinger.<ref name=Jago32>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  32.]]</ref>

[[Fil:Størmer and Birkeland Alta 1910.jpg|mini|[[Carl Størmer]] og Birkeland under feltmålinger i Alta.{{byline|Anders Beer Wilse}}]]

De hadde med seg en vindmåler for å finne ut om spesielle værforhold var knyttet til nordlyset. De bragte også med seg et ''elektrometer'' (en mer avansert utgave av et [[elektroskop]]) for å studere elektriske forhold i atmosfæren. Elektriske forhold var tidligere blitt studert i forbindelse med tordenvær, men ikke under nordlysaktivitet. Et annet instrument var et termometer, for å bekrefte eller avsanne om nordlyset er mer intenst ved kaldere vær. Dette var det på denne tiden mange folkelige oppfatninger om. Videre hadde de et [[barometer]] og et [[hygrometer]], samt en værballong for å måle vindstyrken opptil 2000 meter over bakken.<ref name="Jago2526">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  25 – 26.]]</ref> De hadde også et kamera i hvert av observatoriene som kunne ta bilder synkront.<ref name="Jago36">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 36.]]</ref> Det viktigste instrumentet var et såkalt ''magnetometer'' som kunne registrere endringer av jordens magnetfelt både i styrke og retning.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  30.]]</ref> Magnetometret kunne måle feltets styrke i vertikale og horisontale retninger (x-, y- og z-retning).<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 551.]]</ref><ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  39.]]</ref> Målingene skulle gjøres flere ganger i døgnet,<ref name="Jago31"/> men når nordlyset viste seg, ble det foretatt kontinuerlige observasjoner.<ref name=Jago32/>

En av de mange tingene de skulle undersøke, var om den finske geologen [[Selim Lemström]] (1838–1904) hadde rett i sitt utsagn om at nordlyset reiser seg opp fra spisse fjelltopper, samt at det kan gå helt ned til bakken. Ut fra dette skulle Birkeland kunne se nordlys også nedenfor observatoriet på Haldde.<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 50–51.]]</ref> Målingene skulle videre prøve omstridte oppfatninger, som at nordlyset avgir en knitrende lyd, at det får håret til å reise seg, at det forårsaker hodepine og om det forekommer på dagtid.<ref name="Jago2526"/>

==== Offentlige finansieringer ====
Nordlys ble nordpå kalt for vindlys eller værlys, fordi det var en utbredt oppfatning av man at det kunne spå været. Birkeland var interessert i å finne ut om det virkelig var en sammenheng mellom nordlysaktivitet og kommende vær, fordi dette kunne være nyttig kunnskap. I sin søknad til Stortinget forklarte han at dette var en viktig del av de vitenskapelige undersøkelsene. Han mente nok ikke at det var av stor vitenskapelig betydning for teorien hans om nordlysets natur, men regnet med at det var viktig å legge til for å få finansieringer. Dermed kalte han studien for «Ekspedisjon for å studere nordlys, jordmagnetisme og skydannelse». I tillegg spilte han på nasjonalfølelsen i søknaden til Stortinget: «Det er selvsagt mulig å samarbeide med utenlandske forskere og videreføre ekspedisjonen uten ytterligere finansiering fra den norske stat. Men jeg nøler med å gå til det skritt, da jeg anser undersøkelsene som så viktige at jeg helst skulle sett at de var norske.»<ref name="Jago46">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 46.]]</ref>

[[Fil:Haldde.jpg|mini|[[Haldde|Halddetoppen]] med observatoriet i dag. I bakgrunnen Birkelands opprinnelige observatorium.]]

Birkeland fikk bevilget 12&nbsp;000 kroner til ekspedisjonen, inkludert bygninger og utstyr. Dette var det dobbelte av årslønnen hans.<ref name="Jago46"/> Imidlertid ignorerte han økonomioppfølgingen i prosjektet. Han mistet papirlappene der han hadde summert kostnader for utstyr, men hadde stadig behov for mer utstyr. Dermed fikk han mange purringer om å oppgi eksakte regnskaper, men istedenfor sendte han søknader om mer penger. Biografen Jago mener at han sannsynligvis aldri sendte noe regnskap, men at han håpet på mer penger til ekspedisjonen ved å distrahere departementet og lokke Stortinget til å bevilge mer penger, ved å sende meldinger om fremskritt i forskningen innenfor værvarsling.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  47.]]</ref> Biografene Egeland og Burke mener at ekspedisjonen heller ikke var godt planlagt finansielt. Den samlede summen for ekspedisjonen kom på 38&nbsp;297 kroner, tre ganger mer enn det opprinnelige estimatet. Myndighetene var imidlertid fornøyd med det vitenskapelige utbyttet av ekspedisjonen.<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 53.]]</ref> 

Birkeland håpet at nordlysobservatoriet skulle bli permanent, noe det også ble.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  49.]]</ref> Birkeland brukte delvis egne midler for å få et stort observatorium bygget. Fra 1912 til 1926 var det permanent bemanning på Haldde.<ref>[[#Egeland|Egeland: ''Mennesket og forskeren'' side 19.]]</ref>

==== Teorien for nordlyset tar form ====
Birkeland og hans assistenter fikk snart bekreftet at nordlyset ikke berører bakken, men at de laveste delene kommer ned til rundt 100 km over bakken. De konstaterte dessuten at det ikke svir håret eller kroppsdeler, samt at det heller ikke forårsaker hodepine.<ref name="Jago50">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 50.]]</ref> De bekreftet den gamle oppfatningen om at nordlyset er mest aktivt i lave temperaturer.<ref name="Jago36"/>

I lange perioder hadde de svært dårlig vær, slik at de ikke kunne gjøre noen observasjoner. Det ble dermed god tid for Birkeland til å studere resultatene de allerede hadde fått. Han satt oppe natt etter natt, og arbeidet med dette.<ref name="Jago5354">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 53–54.]]</ref> Samtidig var de andre deltagerne i dårlig humør av å være innesperret i den mørke hytten dag etter dag.<ref name="Jago50"/> En ting de hadde klare observasjoner av, var at jordens magnetfeltet alltid ble tydelig forstyrret, samtidig med at det var nordlysaktivitet. Flere år tidligere hadde han fått en idé om at det var en sammenheng mellom solflekkaktivitet og nordlys. Han hadde publisert en artikkel med tittelen «Solpletter og Nordlys. Et bud fra Solen»<ref name="Jago5354"/> Imidlertid var det flere andre forskere som avviste dette fordi nordlys forekom uten solflekkaktivitet, og omvendt. Dessuten mente mange at elektriske partikler fra solen ikke kunne nå jorden over en så stor distanse.<ref name="Jago55">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 55.]]</ref>

Birkeland og hans medhjelpere hadde feiret jul hos gruvedirektør Anders Quale nede i Kåfjord. Her hadde han sett på kraftstasjonen som var satt opp, og ga elektrisk lys. Quale fortalte om utfordringen med elektriske brytere i forbindelse med elektrisitetsproduksjon, spesielt ulykker når bryterne skulle bryte store strømmer.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 44.]]</ref><ref name="EgBu101102">[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 101–102.]]</ref>

Birkeland tenkte på kraftstasjonen og på ting han hadde lest, til han ble helt utmattet i stormnettene i januar. Plutselig en kveld slo en tanke ned i hodet hans, og han ble overbevist om at hans opprinnelige tanke var riktig: Nordlyset dannes ved at elektroner slynges ut fra solen som konsentrerte stråler i tilfeldige retninger. Det er dette som kalles [[katodestråle]]r. Disse treffer av og til jordens magnetfelter, og følger dens feltlinjer mot nord. Her kommer elektronstrømmene ned i lavere deler av [[Troposfæren|atmosfæren]] hvor de kolliderer med atomer. Energien fra kollisjonene skaper [[Emisjon (fysikk)|lysemisjon]], altså nordlys. Dette forklarer også hvorfor jordens magnetfelt blir forstyrret: Forstyrrelsene skjer ved at elektronene, som kommer i stor hastighet, skaper egne magnetfelt som påvirker jordmagnetismen. At katodestrålene fra solen sendes ut som konsentrerte stråler, forklarer også hvorfor det kan være solflekkaktivitet uten at det er nordlys: Ofte vil slike katodestråler fare ut i verdensrommet uten å treffe jorden.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  56.]]</ref>

==== Formidling av teorien om nordlysets opphav ====
Etter ekspedisjonen på Haldde var motviljen mot Birkeland hardnet til blant flere av de andre professorene. Det kom kritikk mot det som ble omtalt som en dumdristig ekspedisjon der en talentfull ung mann hadde omkommet. Noen eldre professorer mente at Birkeland var for ung til å lede så kostbare ekspedisjoner.<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 54.]]</ref> Dessuten var hans vidløftige prosjekter kostbare, og tappet budsjettene for store pengesummer. Til tross for dette hadde han også flere beundrere, blant andre den eksentriske geologen og politikeren [[Amund Helland]] (1846–1918). Helland var også en nær venn av Birkeland.<ref name="Jago6970"/>

[[Fil:Kristian Birkelands nordic light laboratory.jpg|mini|Birkelands laboratorium med [[generator]] for å skaffe høye [[Elektrisk spenning|spenninger]] for [[katodestråle]]]r.]]
[[Fil:Northern Lights in a bottle with cathode rays.jpg|mini|En av Birkelands tidlige vakuumflasker for å simulere nordlys rundt «jordkloden» som han kalte terrella.]]
[[Fil:Birkeland-currents.gif|mini|Illustrasjon fra boken ''The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903'' og viser hvordan Birkeland så for seg strømmer i polarområdene over jorden, i dag kjent som [[birkelandstrømmer]].]]

Sem Sæland ble ansatt som forskningsassistent for Birkeland, for at han skulle analysere måledataene. De to utga en artikkel med tittelen «Nordlysekspedisjonene» i ''Elektroteknisk tidsskrift'' i oktober 1900. Senere publiserte Birkeland en mer detaljert artikkel i et fransk tidsskrift. Resultater fra målingene i Nord-Norge ble presentert, i tillegg til noen samtidige magnetfeltmålinger fra Potsdam i Tyskland. Her ble også opphavet til de magnetiske stormene forklart.<ref name="Jago55"/>

Birkeland bosatte seg på denne tiden på Lysaker, hvor flere intellektuelle også bodde. Blant disse var det mange som arbeidet for en ny norsk identitet og løsrivelse fra [[Unionen mellom Sverige og Norge|unionen med Sverige]]. Det dreide seg blant andre om [[Fridtjof Nansen]], som mente at også en liten nasjon som Norge, måtte hevde seg kulturelt på flest mulig felter. Også Birkeland ivret for Norges uavhengighet, og var overbevist om at hans nordlysforskning kunne bane vei for større nasjonal ære.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  65.]]</ref>

Birkeland mente at det var viktig både for andre forskere og det alminnelige publikum å få presentert resultatene fra forskningen på nordlyset. Han fikk dermed en avtale med sjefsredaktør [[Jacob Dybwad]] (1823–1899), som på denne tiden var en av noen få forleggere som hjalp til med vitenskapelige utgivelser.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  65.]]</ref> De ble enige om å utgi en bok om ekspedisjonen, med tittelen ''Den norske aurora borealis ekspedisjonen 1899–1900''.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  67.]]</ref> Fordi en anså det norske publikummet som kunne vært interessert i boken til å være begrenset, ble boken utgitt på fransk. Dette var i tillegg et språk Birkeland behersket.<ref>[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side  68.]]</ref> Boken inneholdt de første kartlegginger av elektriske strømmer i polarområdene, basert på bakkemålinger av magnetfelter. Birkeland skrev at nordlys og de tilhørende elektriske strømmene best kunne beskrives ved hjelp av et koordinatsystem som forholdt seg relativt til solen. Han hadde utarbeidet et kart som viste hvordan nordlyset oppstår i et mønster, med to celler. I nyere tid har satellitt- og bakkemålinger påvist at den ioniserte strømmen virkelig følger et slikt to-cellemønster.<ref>[[#EgBu|Egeland og Burke: ''The First Space Scientist'' side 56.]]</ref> 

Boken ble utgitt våren 1901. Dette ble fulgt opp av avisene i Norge, som skrev artikler om at nordlysgåten var løst. Birkeland selv skrev avisartikler, som på en popularisert måte forklarte fysikken bak fenomenet. Hans anseelse økte, og han holdt flere vitenskapelige forelesninger om nordlyset. Imidlertid ble boken og hans teori dårlig mottatt i Storbritannia. Det britiske [[Royal Society]]s tidsskrift ''[[Philosophical Transactions of the Royal Society]]'' angrep boken og mente at teoriene var fundamentalt feilbegrunnet. Britiske forskere mente nemlig at verdensrommet var tomt vakuum.<ref name="Jago74">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 74.]]</ref>

Royal Society hadde i mange år hatt den fremstående matematikeren, fysikeren og ingeniøren [[William Thomson Kelvin|Lord Kelvin]] (1824–1907) som sin leder. Kelvin hadde nærmest som en slengbemerkning i 1892, avfeid at det skulle være noen som helst forbindelse mellom jordens magnetisme og solflekker, eller andre aktiviteter på eller i nærheten av solen. På grunn av Kelvins store anseelse ville få forskere komme med innvendinger mot hans tidligere uttalelser. Birkeland var svært skuffet over denne avvisningen fra britisk side. Motvillig måtte han innse at britene vurderte hans forskning som ubetydelige aktiviteter i et beskjedent fysikkinstitutt, ved et ordinært universitet i en liten svensk koloni.<ref name="Jago7576">[[#Jago|Jago: ''Nordlysets gåte'' side 75–76.]]</ref>