Кристиан Биркеланд: Солтүстік жарықты зерттеген ғалым

Кіріспе

Норвегиялық ғалым Кристиан Олаф Бернхард Биркеланд (13 желтоқсан 1867 жылы туған – 15 маусым 1917 жылы қайтыс болған) – норвегиялық ғалым, Ослодағы Корольдік Фредрикс университетінің физика профессоры. Ол атмосфералық электр тоқтары туралы теорияларымен, сол арқылы солтүстік жарық құбылысының мәнін ашып көрсетуімен ең жақсы есте қалады. Сол жарықтарды зерттеуін қаржыландыру мақсатында, ол электромагниттік зеңбірек және ауадан азотты бекітуге арналған Биркеланд-Эйд процесін ойлап тапты. Биркеланд жеті рет Нобель сыйлығына үміткер болған.

Өмір мен өлім

Біркеланд Кристианияда (қазіргі Осло) Рейнарт Біркеланд пен Ингеборгтың (құрметті әкесі Эге) отбасында дүниеге келді және 18 жасында өзінің алғашқы ғылыми мақаласын жазды. Біркеланд 1905 жылы мамыр айында Ида Шарлотта Хаммерге үйленді. Олардың балалары болмады және Біркеландтың жұмысына берілгендігінен 1911 жылы ажырасты. Барбиталды ұйықтау үшін қолданғандықтан, қатты паранояға ұшырап, Токио университетіндегі әріптестерін көріп тұрғанда Токиодағы Сейокен қонақ үйіндегі бөлмесінде түсініксіз жағдайда қайтыс болды. Денсаулықты тексеру кезінде Біркеландтың қайтыс болған күні 10 грамм барбитал қабылдағаны анықталды, ал тағайындалған доза 0,5 грамм болатын. Өлім уақыты 1917 жылғы 15 маусымда таңғы сағат 3-ке шамамен белгіленді. "Түнгі жақта револьвер жатыр екен".

Зерттеу

Біркеланд Норвегияның жоғары ендік аймақтарына бірнеше экспедиция ұйымдастырды, онда ол магнит өрісі деректерін жинау үшін аврора аймақтарында обсерваториялар желісін құрды. 1899–1900 жылдары жүргізілген Норвегиялық полярлық экспедицияның нәтижелері полярлық аймақтағы жердің магнит өрісін өлшеуден алынған электр тоқтарының жаһандық үлгісін бірінші рет анықтады. Рентген сәулелерін ашу Биркеландты магниттердің катод сәулелеріне әсерін зерттеу үшін вакуумдық камераларды жасауға түрткі берді. Біркеланд шар тәрізді магниттен тұратын Жердің моделі – терреллаға бағытталған электрондық сәуле магниттік полюстерге бағытталып, полюстердің айналасында жарық сақиналарын пайда еткенін байқады және осылайша аврора да осылай пайда болуы мүмкін деген қорытындыға келді. Ол энергиялы электрондар Күн бетіндегі күн дақтарынан шығарылып, Жерге бағытталып, геомагниттік өріспен Жердің полярлық аймақтарына бағытталып, көрінетін аврораны тудыратын теорияны жасады. Бұл – бүгінгі күнгі аврора теориясының негізі. Біркеланд 1908 жылы өзінің «Норвегиялық Аврора Поляралық экспедициясы 1902–1903» атты кітабында полярлық электр тоқтарының, бүгінде полярлық электростралдар деп аталатын, геомагниттік өріс сызықтарымен полярлық аймаққа және одан алысқа ағатын токтар жүйесімен байланысты екенін ұсынды. Мұндай өрістегі ағымдар оның құрметіне бүгін Биркеланд ағымдары деп аталады. Ол кітапта өрістегі ағымдардың схемасын ұсынды, ал бұл схема Норвегияның 200 крона 7-ші сериялы банкнотының төменгі оң жақ бұрышында қайта жарияланды, ал оның террелла эксперименті сол жақтағы алдыңғы жағында, оң жақта Биркеландтың портретімен бірге көрсетілген. 1902–1903 жылдардағы экспедиция туралы кітапта Жердегі магниттік дауылдар мен олардың Күнмен байланысы, Күннің өзі, Галлей кометасы және Сатурн сақиналары туралы тараулар бар. Биркеландтың қазіргі Биркеланд ағымдары деп аталатын көзқарасы жарты ғасырдан астам уақыт бойы дау тудырды, өйткені олардың бар екендігі тек жердегі өлшемдер арқылы растала алмады. Оның теориясы сол кезде басым ғалымдар тарапынан маргиналды теория ретінде сынға ұшырады және мазақ етілді, ең танымал британдық геофизик және математик Сидней Чапман ағымдар кеңістіктің вакуумын кесіп өте алмайды және сондықтан ағымдар Жерден туындауы керек деген басым көзқарасты дәлелдеді. Биркеландтың аврора теориясы оның 1917 жылы қайтыс болғаннан кейін де басым астрофизиктер тарапынан жоққа шығарыла берді. Оны негізінен шведтік плазма ғалымы Ханнес Альфвен қолдады, бірақ Альфвеннің еңбегі де Чапман тарапынан сыналып бағаланды. Биркеландтың аврора теориясының дәлелі 1967 жылы ғарышқа зонд жіберілгеннен кейін ғана келді. Бұл маңызды нәтижелер 1963 жылы ұшырылған және ионосфераның үстінде магнитометрді алып жүрген АҚШ-тың 1963 38C спутнигі арқылы алынды. Жердің жоғары ендік аймақтарындағы барлық өтулерде магниттік бұзылыстар байқалды. Бұлар бастапқыда гидромагниттік толқындар деп түсіндірілді, бірақ кейін талдау кезінде олар өрістегі немесе Биркеланд ағымдарының салдарынан туындағандығы анықталды. Биркеландтың ғылыми-зерттеу кәсіпорындарының ауқымы соншалық болды, қаржыландыру үлкен кедергіге айналды. Технологиялық өнертабыстар байлыққа жеткізе алатынын түсінген ол электромагниттік зеңбірек жасап, бірнеше инвесторлармен бірге қару-жарақ компаниясын құрды. Койльдік зеңбірек жұмыс істеді, бірақ ол болжаған жоғары ұңғы жылдамдықтары (600 м/с) орындалмады. Ең үлкен машинасынан алған ең көп жылдамдық 100 м/с болды, бұл тек 1 км ұшу қашықтығына сәйкес келді. Сондықтан ол бұл құрылғыны әуедегі торпеда деп атады және компанияны сатуды мақсат етіп демонстрация ұйымдастырды. Демонстрация кезінде бір орам қысқа тұйықталып, шу, от және түтінмен толыққанды индукциялық доға шығарды. Бұл Биркеландтың жасаған зымыран тасығыштарының алғашқы сәтсіздігі болды. Оны оңай жөндеуге болады және тағы бір демонстрация ұйымдастырылуы мүмкін еді. Алайда тағдыр Сэм Эйде деген инженер арқылы араласты. Бір аптадан кейін болған кешкі ас кезінде Эйде Биркеландқа жасанды тыңайтқыш жасау үшін жер бетіне әкелінетін ең үлкен шарттық разрядтың қажеттілігі бар екенін айтты. Биркеландтың жауабы: «Менде бар!» Оқ-жарақ компаниясын сату туралы басқа әрекеттер болған жоқ, ол Эйдемен азотты бекіту процесіне арналған плазмалық доға құрылғысын жасау үшін жеткілікті уақыт жұмыс істеді. Бұл жұп пештің прототипін үлкен көлемде өндіріске енгізуге экономикалық тұрғыдан тиімді дизайнға жетілдірді. Нәтижесінде құрылған Norsk Hydro компаниясы Норвегияны зор байлыққа жеткізді, ал Биркеланд зерттеулер үшін жеткілікті қаржыландыру алды, оның жалғыз нағыз қызығушылығы. Биркеланд–Эйде процесі энергия тұтыну тұрғысынан салыстырмалы түрде тиімсіз. Сондықтан 1910-жылдары және 1920-жылдары ол Норвегияда Хабер процесі мен Оствальд процесінің комбинациясымен біртіндеп алмастырылды. 1913 жылы Биркеланд плазманың кеңістікте кең таралғанын болжаған алғашқы адам болған болуы мүмкін. Ол былай деп жазды: «Біздің көзқарасымыздан қарағанда, бүкіл кеңістік электрондармен және барлық түрлі ұшатын электр иондарымен толған деген қорытындыға келу табиғи көрінеді. Біз әрбір жұлдыздық жүйенің эволюциясы кезінде кеңістікке электрлік бөлшектерді шығаратынын болжадық. Сондықтан ғаламдағы материалдық массаның көп бөлігі жұлдыздық жүйелерде немесе тұмандықтарда емес, «бос» кеңістікте орналасқан деген ойға келудің қиындығы жоқ». Басқаша айтқанда, күн желдірімінде теріс электрондар да, оң иондар да бар. Жердің полярлық аймағындағы Биркеланд ағымдарының статистикалық орналасуының алғашқы толық картасы 1974 жылы А.Дж. Змуда және Дж.С. Армстронг жасады және 1976 жылы Т. Иидзима және Т.А. Потемрамен жетілдірілді.

Birkeland organized several expeditions to Norway's high latitude regions where he established a network of observatories under the auroral regions to collect magnetic field data. The results of the Norwegian Polar Expedition conducted from 1899 to 1900 contained the first determination of the global pattern of electric currents in the polar region from ground magnetic field measurements. The discovery of X rays inspired Birkeland to develop vacuum chambers to study the influence of magnets on cathode rays. Birkeland noticed that an electron beam directed toward a terrella, a model of the Earth consisting of a spherical magnet, was guided toward the magnetic poles and produced rings of light around the poles and concluded that the aurora could be produced in a similar way. He developed a theory in which energetic electrons were ejected from sunspots on the solar surface, directed to the Earth, and guided to the Earth's polar regions by the geomagnetic field where they produced the visible aurora. This is essentially the theory of the aurora today. Birkeland proposed in 1908 in his book The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902–1903 that polar electric currents, today referred to as auroral electrojets, were connected to a system of currents that flowed along geomagnetic field lines into and away from the polar region. Such field aligned currents are known today as Birkeland currents in his honour. He provided a diagram of field aligned currents in the book, and this diagram was reproduced on the back of the Norwegian 200 kroner 7th series banknote in the lower right corner, and his terrella experiment is shown on the front at the left with a portrait of Birkeland on the right. The book on the 1902–1903 expedition contains chapters on magnetic storms on the Earth and their relationship to the Sun, the origin of the Sun itself, Halley's comet, and the rings of Saturn. Birkeland's vision of what are now known as Birkeland currents became the source of a controversy that continued for over half a century, because their existence could not be confirmed from ground based measurements alone. His theory was disputed and ridiculed at the time as a fringe theory by mainstream scientists, most notoriously by the eminent British geophysicist and mathematician Sydney Chapman who argued the mainstream view that currents could not cross the vacuum of space and therefore the currents had to be generated by the Earth. Birkeland's theory of the aurora continued to be dismissed by mainstream astrophysicists after his death in 1917. It was notably championed by the Swedish plasma scientist Hannes Alfvén, but Alfvén's work in turn was also disputed by Chapman. Proof of Birkeland's theory of the aurora only came in 1967 after a probe was sent into space. The crucial results were obtained from U. S. Navy satellite 1963 38C, launched in 1963 and carrying a magnetometer above the ionosphere. Magnetic disturbances were observed on nearly every pass over the high latitude regions of the Earth. These were originally interpreted as hydromagnetic waves, but on later analysis it was realized that they were due to field aligned or Birkeland currents. The scale of Birkeland's research enterprises was such that funding became an overwhelming obstacle. Recognizing that technological invention could bring wealth, he developed an electromagnetic cannon and, with some investors, formed a firearms company. The coil gun worked, except the high muzzle velocities he predicted (600 m/s) were not produced. The most he could get from his largest machine was 100 m/s, corresponding to a disappointing projectile range of only 1 km. So he renamed the device an aerial torpedo and arranged a demonstration with the express aim of selling the company. At the demonstration, one of the coils shorted and produced a sensational inductive arc complete with noise, flame, and smoke. This was the first failure of any of the launchers that Birkeland had built. It could easily have been repaired and another demonstration organized. However, fate intervened in the form of an engineer named Sam Eyde. At a dinner party only one week later, Eyde told Birkeland that there was an industrial need for the biggest flash of lightning that can be brought down to Earth in order to make artificial fertilizer. Birkeland's reply was, "I have it!" There were no more attempts to sell the firearms company, and he worked with Eyde only long enough to build a plasma arc device for the nitrogen fixation process. The pair worked to develop the prototype furnace into a design that was economically viable for large scale manufacture. The resulting company, Norsk Hydro, hugely enriched Norway, and Birkeland then enjoyed adequate funding for research, his only real interest. The Birkeland–Eyde process is relatively inefficient in terms of energy consumption. Therefore, in the 1910s and 1920s, it was gradually replaced in Norway by a combination of the Haber process and the Ostwald process. In 1913, Birkeland may have been the first to predict that plasma was ubiquitous in space. He wrote: "It seems to be a natural consequence of our points of view to assume that the whole of space is filled with electrons and flying electric ions of all kinds. We have assumed that each stellar system in evolutions throws off electric corpuscles into space. It does not seem unreasonable therefore to think that the greater part of the material masses in the universe is found, not in the solar systems or nebulae, but in 'empty' space." In other words, the solar wind consists of both negative electrons and positive ions. The first complete map of the statistical location of Birkeland currents in the Earth's polar region was developed in 1974 by A. J. Zmuda and J. C. Armstrong and refined in 1976 by T. Iijima and T. A. Potemra

Ғылыми қызығушылықтарымен қатар Биркеланд NSFPS (Норвегиялық Психикалық Зерттеулер Қоғамы) басқару комиссиясына қосылды. 1922 жылға қарай қоғамдың 299 мүшесіне премьер-министр Гуннар Кнудсен, сондай-ақ көптеген дәрігерлер, профессорлар және кеме иелері кірді. Қоғам столдардың билеуі және автоматты жазу тәжірибелерін өткізді, бірақ шетелдік медиумдарды шақырып, бақыланатын тәжірибелер ұйымдастыру арқылы көбірек назар аударды. 1912 жылы Детройттан келген Этта Вридт деген медиум, «рух трубасымен» танымал болды, ол алаяқ ретінде әшкереленді. Миссис Вридттің «трубасы» Гипатияның арасындағы «рух дауысымен» сөйлеуге тиіс болған, бірақ Норвегияда «трубаның үрлеуі» калий мен судың жарылысынан туындағандығы анықталды. Профессор Биркеланд осы оқиғада: «Мен барлық қадірсіздікке қарсымын, бірақ Миссис Вридттің құрметіне жасалған шағын қадірсіздікке кедергі келтірмес еді», – деді.

Мұра

Біркеландтың полярлық шоқтар туралы теориясы ақырында расталды және дұрыс деп қабылданды. Оның эксперименттерінің бірінің мысалы Норвегияның 200 кроналық банкнотының 1994 жылы шығарылған бұрынғы нұсқасының сол жақ алдыңғы бетінде көрсетілген; ол эвакуацияланған камерада ілінген, Жерді модельдеуге арналған магниттелген террелланы бейнелейді. Біркеландтың суреті террелла суретінің үстіндегі бос орында су таңбасы ретінде екінші рет пайда болады, ал оның алғашқы магнитосферасы банкнотаның артқы жағында бейнеленген, бірақ ол тек ультракүлгін сәуледе ғана көрінеді. Банкнотаның артқы жағында бейнеленген магниттік полюсті айналдыратын сақина Біркеландтың болжаған және соңғы кезде спутниктер көрсеткен үлгілерге ұқсас. Ол өзінің «Норвегиялық Аврора Поляра экспедициясы 1902–1903» кітабында «Біркеланд тогы» деп белгілі болған суреттің суретін салған.

Дәйексөздер

Біздің көзқарастарымыздың табиғи салдары ретінде, бүкіл кеңістік электрондармен және барлық түрдегі ұшатын электр иондарымен толтырылған деп санау логикалық көрінеді. — Кристиан Биркеланд, 1913 жыл.

Аз ғана батыл пионерлер бұрын ешкім баспаған биіктерге жол табады. Олар адамзаттың тіршілік ету жағдайларын жасайды, ал көпшілік олардың еңбегінің нәтижесін пайдаланады. — Кристиан Биркеланд.