Kristian Birkeland

 

Kristian Olaf Bernhard Birkeland (1867. december 13. - 1917. június 15.) norvég tudós, akit az "első űrkutatóként" emlegetnek, valamint a laboratóriumi- és űrplazma kutatás apjaként tartanak számon. Talán a legtöbben a sarki fény (aurora borealis) kutatásával kapcsolatos tudományos munkásságáért ismerik, amelyet Terella nevű mágnesezett gömbje segítségével végzett. Birkeland találta fel az elektromágneses ágyút, kifejlesztette a műtrágya elektromos előállításának módját. Az Oszlói Egyetemen 31 éves korára fizika professzori megbízást kapott.

Legfontosabb asztrofizikai kutatásait a következő témákban publikálta: katód sugarak[5], sarki fény[6], üstökösök[7], a Nap és napfoltok[8], a bolygók és holdak eredete[9], földmágnesesség[10].

Néhány egyéb tudományos publikációi közül[2]: Poynting-vektor származtatásával kapcsolatos publikációi, Maxwell egyenleteinek első teljes megoldása[11], elsőként kutatta a töltött részecskesugarakat, hasznosította az "elektromágneses tömeg" elméletet (longitudinal mass), megalkotta az első fólia diódákat (foil diode), úttörő kutatásokat végzett elektromos kisülések fényképezésével kapcsolatban, támogatta a űreszközök töltött részecske meghajtásának kutatását, megalapította a Norsk Hydro nitrogén műtrágya üzemet (a Birkeland-Eyde módszerrel állítottak elő kálium nitrátot), 10kg tömegű lőszer kilövésére képes elektromágneses sínágyút készített és megalapította a Birkeland lőfegyver gyártó cégét (Birkeland's Firearms), előre jelezte a nagy energiájú kozmikus sugarakat (1911-ben fedezték fel), amelyek számításai szerint több milliárd elektoron volt energiát is elérhetnek. Szabadalmaztatta az elektromágneses ágyút[12], a szilárd margarint és hallást segítő készüléket is.
1969-ben a Föld légkörében felfedezett elektromos vezető szálakat tiszteletképpen Birkeland áramoknak nevezték el[13].

A sarki fény vizsgálata

Matematika tanárának bátorítására vásárolt egy rúdmágnest és elolvasta William Gilbert (1544-1603) természettudós könyvét a Föld mágnesességének tanulmányozásáról. Birkeland híres Terella gömbje természetesen mágneses mágnesvasércből (magnetit) készült. Gilbert úgy vélte, hogy a Föld egy rúdmágneshez hasonlít amelynek mágnesessége valahogy összefügg az elektromossággal.

Birkeland szervezett néhány felfedező expedíciót Norvégia északi, magas földrajzi szélességű területére, ahol a sarki fény alatt a mágneses mező adatainak megfigyelési hálózatát hozták létre. Az 1899-1900 között végzett mérések eredményeként a norvég sarki expedíciók határozták meg először az elektromos áramok globális mintázatát a sarki régióban. A röntgen sugárzás felfedezése után megépítette vákuumkamráját, ahol a mágnesesség hatását vizsgálta a katód sugárzásra. A képen az egyik kísérlet látható, a vizsgáló vákuumkamrában felfüggesztett gömb a Földet modellezi. A berendezés stilizál képe került a 200 Koronás bankjegyre. Birkeland felfedezte, hogy a Terellára irányított elektronsugár eltérítődik a pólusok felé és gyűrűt képez. A kísérlet eredményéből vonta le Birkeland a következtetést, hogy a sarki fény is hasonlóképpen jön létre. Felállított egy elméletet arról, hogy a napfoltokon keresztül a Napból kilépő nagy energiájú elektronokat a Föld mágneses tere eltéríti a sarkok irányába, szabad szemmel is látható sarki fényt hozva létre.

Birkeland nem kevesebb, mint kilenc alkalommal kapott jelölést Nobel díjra.
 

Elektromágneses ágyú

Lásd még: A. Egeland, "Birkeland's electromagnetic gun: a historical review", IEEE Transactions on Plasma Science, Apr 1989, Volume: 17, Issue: 2, page(s): 73-82, ISSN: 0093-3813.

Birkeland kísérleteinek a finanszírozási kérdések jelentették a legfőbb akadályt. Felismerve, hogy a technológiai találmányai hozhatnak bevételt számára, kifejlesztett egy elektromágneses elven működő ágyút. A 1900-ban szabadalmaztatta találmányát, amit ma elektromágneses sínágyúnak hívunk. Megalapította néhány befektetővel lőfegyver gyártó cégét. A sínágyú működött ugyan, de nem érte el a megjósolt 600 m/s torkolati sebességet. A legtöbb, amit a legnagyobb készülékkel el tudott érni, mindössze 100 m/s volt, a lövedéket csak kiábrándító 1 km-re tudta kilőni. Így átnevezte a készüléket légi torpedónak és tartott egy a bemutatót azzal a kifejezett céllal, hogy eladja a céget. A bemutatón azonban az egyik tekercs zárlatos lett és hatalmas indukciós ívet húzott nagy zaj, lángok és füst kíséretében. Ez volt az első meghibásodása a Birkeland által épített kilövő szerkezeteknek. Könnyen ki lehetett volna javítani a tekercset és új bemutatót tartani, de a sors beavatkozott Sam Eyde mérnök képében.

Egy héttel később egy vacsorán, Eyde azt mondta Birkeland-nak, hogy ipari igény lenne arra, hogy a legnagyobb villámot lehozták a földre annak érdekében, hogy műtrágyát állítsanak elő. Birkeland határozott válasza ez volt: Meg tudom csinálni! Nem tett több kísérletet arra, hogy eladja a lőfegyver gyártó cégét, hanem Eyde-vel dolgozott addig, amíg megépített egy plazma ív készüléket a nitrogén megkötési folyamathoz. A páros kidolgozott egy olyan prototípus kemence tervet, amely átalakítható volt gazdaságilag életképes nagyszabású gyártási folyamatra. Birkeland ezáltal megtalálta a megfelelő forrást annak finanszírozása, ami igazán érdekelte: a kutatásnak.

Az a tény, hogy a Birkeland üzleti partnerként csatlakozott Eyde-hez lehetett az egyik oka, amiért Birkeland nem nyerte el a munkásságáért a Nobel-díjat. Eyde azt akarta, hogy együtt jelöljék Birkeland-al, de a Nobel-díj célja az, hogy az eredeti ötletet elismerje el, nem pedig annak kereskedelmi alkalmazást. Ennek eredményeként jöhetett létre az esetlegesen vitatott jelölés - kombinálva az abban az időben Svédország és Norvégia között fennálló kényes kapcsolattal - okozhatta, hogy a bizottság nem javasolta díjazásra.

 

Kozmikus elméletek

Birkeland volt az első, aki 1913-ban előre jelezte a plazma gyakori jelenlétét a világűrben. "Úgy tűnik, hogy a mi nézőpontunkból szemlélve természetes, hogy az egész Világűr tele van elektronokkal és minden fajta repülő elektromos ionokkal. Feltételezhetjük, hogy minden egyes csillagrendszer a fejlődése során töltött részecskéket bocsát ki. A feltételezés nem ésszerűtlen, ha belegondolunk, hogy Univerzumban található anyag nagy részét nem a naprendszerekben vagy ködökben, hanem az "üres" területeken található." írta. [15]

Valószínűleg Birkeland volt az első, aki sikeresen előre jelezte 1916-ban a napszél létezését - ahogy az elektromos mező gyorsítja a töltött részecskéket. "Fizikai nézőpontból az a legvalószínűbb, hogy ezek az új nap sugarak nem kizárólag negatív, vagy pozitív töltésűek, hanem mindkettő egyszerre" -  más szóval, a napszél negatív és pozitív ionokból áll.[16]

 

Birkeland azt állította, hogy a sarki elektromos áramok - amelyeket manapság "elektrojet"-eknek hívnak - hozzákapcsolódnak azoknak az áramoknak a rendszeréhez, amelyek a geomágneses vonalak mentén haladnak a sarki régió irányába és visszafelé. Ábrát is készített a mágneses tér geometriáját követő áramokról a "The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903" (A norvégiai sarki fény expedíció) című könyvébe. Az ábra másolata a bankjegy hátoldalának jobb alsó sarkába került. A könyvben külön fejezetet kaptak a földi mágneses viharok, a viharok kapcsolata a Nappal, a Nap keletkezése, az üstökösök és a Szaturnusz gyűrűi is.
Birkeland elképzelése a mágneses tér geometriáját követő áramokról negyed évszázados vita forrása lett, mert a létezésüket nem lehetett csak földi telepítésű műszerekkel, az ionoszférán belülről igazolni.

Az abszolút bizonyítékra 1963-ig kellett várni, amelyet az Amerikai Haditengerészet navigációs műholdjának mérési adatai szolgáltattak. Az 1963-ban felbocsátott navigációs műhold fedélzeti magnetométere szinte minden áthaladáskor mágneses zavarokat észlelt a sarki régiók felett.

Eleinte a mágneses zavarokat hidromágneses hullámokként azonosították, de hamar kiderült, hogy a mágneses tér geometriáját követő áramoktól származnak. Az első teljes térkép a poláris Birkeland áramok statisztikai elhelyezkedéséről 1974-ben A.J. Zmuda és J.C. Armstrong munkája nyomán jött létre, amelyet tovább finomított T. Iijima és T.A. Potemra 1976-ban a műholdas mágneses mérési adatok felhasználásával.

 

Personal life

Kristian Birkeland 1867. december 31-én született a Norvég Christiania városában (mai nevén Oslo), Reinert Tønnesen Birkeland (1838–1899) és felesége Ingeborg Susanne Ege 1841-1913) kisebbik fiaként. Idősebb testvére Tønnes. Egyik unokatestvére, Richard Birkeland (1879–1928) az alkalmazott matematika professzora lett. A család földműveléssel foglalkozott és a Dél-Norvégiai Birkelandról származott.

Iskolái befejeztével Birkeland 1885-től az Oslói Egyetemen két évig matematikát és kémiát tanult, majd elméleti fizikára váltott. 1890-ben szerezte meg a Candidatus Realium tudományos fokozatot. Két évvel később kutatási asszisztensként ösztöndíjat kapott. Híres külföldi kutatóknál folytatta tanulmányait, mint a francia fizikus Henri Poincaré, a svájci fizikus Lucien De La Rive és Edouard Sarasin. Az elektromágneses hullámok energiaátvitelét tanulmányozta [4].

Kristian viszonylag későn nősült (37 évesen) 1905, májusában. Feleségétől, Ida Charlotte Hammer-től nem született gyermeke, tudományos elfoglaltsága miatt 1911-ben elváltak^[18].

 

Idézetek

Az tűnik a legtermészetesebbnek a következtetések levonása után, ha azt feltételezzük, hogy az egész Világűr tele van elektronokkal és mindenféle repülő elektromos ionokkal. - Kristian Birkeland

Nagyon kevés magányos úttörőnek sikerül olyan magas helyre eljutnia, ahol még senki sem járt . . . ők hozzák létre az emberiség életkörülményeit és a többség az ő munkájukból él. - Kristian Birkeland

 

 

 

 

Lábjegyzet

 

Forrás: http://www.plasma-universe.com/Kristian_Birkeland