Введение

Норвежский ученый Кристиан Олаф Бернхард Биркеланд (родился 13 декабря 1867 года – умер 15 июня 1917 года) — норвежский ученый, профессор физики в Королевском университете Фредерика в Осло. Он наиболее известен своими теориями атмосферных электрических токов, которые объяснили природу полярного сияния. Для финансирования своих исследований полярных сияний он изобрел электромагнитную пушку и процесс Биркеланд–Эйде для фиксации азота из воздуха. Биркеланд семь раз был номинирован на Нобелевскую премию.

Жизнь и смерть

Биркеланд родился в Кристиании (ныне Осло) в семье Рейнарта Биркеланда и Ингеборг (в девичестве Эге) и написал свою первую научную работу в возрасте 18 лет. Биркеланд женился на Иде Шарлотте Хаммер в мае 1905 года. У них не было детей, и из-за сильной увлеченности Биркеланда работой они развелись в 1911 году. Страдая от тяжелой паранойи, вызванной приемом барбитурата как снотворного, он умер при загадочных обстоятельствах в своей комнате в отеле "Сейёкен" в Токио, навещая коллег в Токийском университете. Вскрытие показало, что Биркеланд принял 10 г барбитурата в ночь смерти, вместо рекомендованных 0,5 г. Время смерти было установлено приблизительно в 3 часа утра 15 июня 1917 года. "На прикроватной тумбочке лежал револьвер".

Исследования

Биркеланд организовал несколько экспедиций в высокоширотные регионы Норвегии, где он создал сеть обсерваторий в области полярных сияний для сбора данных о магнитных полях. Результаты норвежской полярной экспедиции, проведенной с 1899 по 1900 год, содержали первое определение глобальной картины электрических токов в полярной области, полученное на основе измерений магнитного поля Земли. Открытие рентгеновских лучей вдохновило Биркеланда на разработку вакуумных камер для изучения влияния магнитов на катодные лучи. Биркеланд заметил, что пучок электронов, направленный на терреллу – модель Земли, состоящую из сферического магнита, – отклонялся к магнитным полюсам и создавал кольца света вокруг них, и пришел к выводу, что полярные сияния могут возникать аналогичным образом. Он разработал теорию, согласно которой энергетические электроны выбрасываются из солнечных пятен на поверхности Солнца, направляются к Земле и направляются геомагнитным полем в полярные области Земли, где и создают видимое полярное сияние. По сути, это современная теория полярных сияний. В своей книге «Норвежская экспедиция по исследованию полярных сияний 1902–1903 гг.» Биркеланд предположил в 1908 году, что полярные электрические токи, которые сегодня называют полярными электроструями, связаны с системой токов, протекающих вдоль линий геомагнитного поля в полярную область и из нее. Эти токи, ориентированные по полю, сегодня известны как токи Биркеланда в его честь. Он представил схему токов, ориентированных по полю, в книге, которая была воспроизведена на оборотной стороне норвежской банкноты номиналом 200 крон 7-й серии в нижнем правом углу, а его эксперимент с терреллой изображен на лицевой стороне слева, а портрет Биркеланда – справа. Книга об экспедиции 1902–1903 годов содержит главы о магнитных бурях на Земле и их связи с Солнцем, происхождении самого Солнца, комете Галлея и кольцам Сатурна. Видение Биркеланда относительно того, что теперь известно как токи Биркеланда, стало источником споров, продолжавшихся более полувека, поскольку их существование не могло быть подтверждено только наземными измерениями. Его теория в то время оспаривалась и высмеивалась как маргинальная учеными, особенно известным британским геофизиком и математиком Сидни Чапменом, который придерживался общепринятого мнения, что токи не могут пересекать вакуум пространства и, следовательно, должны генерироваться самой Землей. Теория полярных сияний Биркеланда продолжала отвергаться астрофизиками и после его смерти в 1917 году. Ее активно поддерживал шведский ученый в области плазмы Ханнес Альфвен, но работа Альфвена также подвергалась критике со стороны Чапмена. Доказательство теории полярных сияний Биркеланда появилось только в 1967 году после отправки зонда в космос. Ключевые результаты были получены со спутника ВМС США 1963 38C, запущенного в 1963 году и оснащенного магнитометром над ионосферой. Магнитные возмущения наблюдались почти при каждом пролете над высокоширотными регионами Земли. Первоначально их интерпретировали как гидромагнитные волны, но последующий анализ показал, что они вызваны токами, ориентированными по полю, или токами Биркеланда. Масштабы исследовательских проектов Биркеланда были настолько велики, что финансирование стало непреодолимым препятствием. Понимая, что технологические изобретения могут принести богатство, он разработал электромагнитную пушку и вместе с несколькими инвесторами основал компанию по производству огнестрельного оружия. Катушечная пушка работала, но высокие скорости, которые он предсказывал (600 м/с), не были достигнуты. Максимальная скорость, которую он смог получить от своей самой большой машины, составляла 100 м/с, что соответствовало разочаровывающей дальности снаряда всего в 1 км. Поэтому он переименовал устройство в воздушный торпедный аппарат и организовал демонстрацию с явной целью продажи компании. Во время демонстрации одна из катушек замкнула, вызвав сенсационную индукционную дугу, сопровождавшуюся шумом, пламенем и дымом. Это была первая неудача любой из пусковых установок, построенных Биркеландом. Ее можно было бы легко отремонтировать и организовать новую демонстрацию. Однако судьба вмешалась в лице инженера по имени Сэм Эйде. Всего через неделю на званом ужине Эйде сказал Биркеланду, что промышленности необходима самая большая вспышка молнии, которую можно спустить на Землю, для производства искусственных удобрений. Ответ Биркеланда был: «Она у меня есть!» Больше не предпринималось попыток продать компанию по производству огнестрельного оружия, и он работал с Эйде только до тех пор, пока не построил плазменный дуговой аппарат для процесса фиксации азота. Они вместе работали над разработкой прототипа печи в конструкцию, экономически выгодную для крупномасштабного производства. В результате созданная компания Norsk Hydro значительно обогатила Норвегию, и Биркеланд получил достаточное финансирование для исследований, которые были его единственным настоящим интересом. Процесс Биркеланда — Эйде относительно неэффективен с точки зрения энергопотребления. Поэтому в 1910-х и 1920-х годах в Норвегии он постепенно был заменен комбинацией процесса Габера и процесса Оствальда. В 1913 году Биркеланд, возможно, первым предсказал, что плазма повсеместно присутствует в космосе. Он писал: «Кажется естественным следствием нашей точки зрения предположить, что все пространство заполнено электронами и летящими электрическими ионами всех видов. Мы предположили, что каждая звездная система в процессе эволюции выбрасывает в пространство электрические корпускулы. Поэтому не кажется неразумным думать, что большая часть материальной массы во Вселенной находится не в солнечных системах или туманностях, а в «пустом» пространстве». Другими словами, солнечный ветер состоит как из отрицательных электронов, так и из положительных ионов. Первая полная карта статистического местоположения токов Биркеланда в полярной области Земли была разработана в 1974 году А. Дж. Змудой и Дж. К. Армстронгом и уточнена в 1976 году Т. Иидзимой и Т. А. Потемрой.

Будучи ученым с широкими интересами, Биркеланд вошел в управляющий совет NSFPS (Норвежского общества психических исследований). 299 членов общества к 1922 году включали таких людей, как премьер-министр Гуннар Кнудсен, а также широкий круг врачей, профессоров и судовладельцев. Общество организовывало кружки, экспериментировавшие с танцующими столами и автоматическим письмом, но привлекло больше внимания, организуя контролируемые эксперименты с приглашенными иностранными медиумами. В 1912 году предполагаемым медиумом была Этта Вридт из Детройта, известная своей «духовой трубой», которая была разоблачена как мошенничество. «Труба» миссис Вридт должна была говорить «духом» таких людей, как Гипатия, но в Норвегии «трубные звуки» были разоблачены как взрывы, производимые калием и водой. Профессор Биркеланд воскликнул по этому поводу: «Я, якобы, против всех сожжений ведьм, но небольшое сожжение в честь миссис Вридт не помешало бы».

Наследие

Теория полярных сияний Биркеланда в конечном итоге была подтверждена и признана верной. Пример одного из его экспериментов изображен на левой стороне лицевой стороны предыдущей версии (выпущенной в 1994 году) норвежской банкноты номиналом 200 крон: на ней показана намагниченная террелла, имитирующая Землю, подвешенная в вакуумной камере. Лицо Биркеланда появляется во второй раз в виде водяного знака в пустом пространстве над изображением терреллы, а его примитивная магнитосфера изображена на оборотной стороне, но видна только в ультрафиолетовом свете. Кольцо, окружающее магнитный полюс, изображенное на оборотной стороне банкноты, аналогично моделям, предсказанным Биркеландом и позднее подтвержденным спутниками. Его рисунок, который стал известен как токи Биркеланда, взят из его книги «Норвежская полярная экспедиция по исследованию полярного сияния 1902–1903 годов».

Цитаты

Кажется естественным следствием наших взглядов предполагать, что всё пространство заполнено электронами и летящими электрическими ионами всех видов. — Кристиан Биркеланд, 1913

Лишь немногие одинокие первопроходцы прокладывают себе путь в неизведанные места. Они создают условия для жизни человечества, и большинство людей живут благодаря их труду. — Кристиан Биркеланд.