Birkeland järjesti useita tutkimusretkiä Norjan korkeille leveysasteille, joissa hän perusti revontulialueiden alle havaintoasemien verkoston keräämään magneettikenttätietoja. Norjan vuosina 1899-1900 suorittaman Naparetkikunnan tulokset sisälsivät ensimmäisen napa-alueen sähkövirtojen globaalin kuvion määrittämisen maan magneettikenttämittauksista. Röntgensäteiden löytyminen innoitti birkelandia kehittämään tyhjiökammioita, joissa tutkittiin magneettien vaikutusta katodisäteisiin. Birkeland huomasi, että magnetoitua terrellaa kohti suunnattu elektronisuihku ohjautui kohti magneettisia napoja ja tuotti valorenkaita napojen ympärille, ja päätteli, että revontulet voitaisiin tuottaa samalla tavalla. Hän kehitti teorian, jossa energeettiset elektronit sinkoutuivat auringon pinnalla olevista auringonpilkuista, suunnattiin maahan ja ohjattiin geomagneettisen kentän avulla maan napa-alueille, missä ne tuottivat näkyvät revontulet. Tämä on pohjimmiltaan teoria revontulista tänään.
Birkeland ehdotti vuonna 1908 kirjassaan The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903, että polaariset sähkövirrat, joita nykyään kutsutaan aurorallisähköjeteiksi, olisivat yhteydessä virtausjärjestelmään, joka virtasi geomagneettista kenttää pitkin napa-alueelle ja sieltä pois. Tällaiset kenttävirrat tunnetaan nykyään Birkelandin virtauksina hänen kunniakseen. Hän esitti kirjassa kaavion kenttävirtauksista, ja tämä kaavio toistettiin Norjan 200 kruunun 7. sarjan setelin takakulmassa oikeassa alakulmassa, ja hänen terrella-kokeensa on vasemmalla etupuolella ja oikealla Birkelandin muotokuva. Kirja vuosien 1902-1903 tutkimusmatkasta sisältää lukuja maan magneettisista myrskyistä ja niiden suhteesta aurinkoon, itse auringon alkuperästä, Halleyn komeetasta ja Saturnuksen renkaista.
Birkelandin näkemyksestä niin sanotuista Birkelandin virtauksista syntyi kiista, joka jatkui yli puoli vuosisataa, koska niiden olemassaoloa ei voitu varmistaa pelkillä maanpäällisillä mittauksilla. Hänen teoriansa kiistettiin ja pilkattiin tuolloin valtavirran tiedemiesten ääriteoriana, tunnetuimpana arvostettu brittiläinen geofyysikko ja matemaatikko Sydney Chapman, joka esitti valtavirran näkemyksen, jonka mukaan virtaukset eivät voineet ylittää avaruuden tyhjiötä ja siksi virtausten oli synnyttävä maapallosta. Valtavirran astrofyysikot hylkäsivät Birkelandin teorian revontulista hänen kuoltuaan vuonna 1917. Sitä puolusti erityisesti ruotsalainen plasmatutkija Hannes Alfvén, mutta Alfvénin työtä puolestaan kiisti myös Chapman.
todiste Birkelandin teoriasta Aurorasta tuli vasta vuonna 1967, kun luotain oli lähetetty avaruuteen. Ratkaisevat tulokset saatiin Yhdysvaltain laivaston satelliitista 1963-38c, joka laukaistiin vuonna 1963 ja jolla oli magnetometri ionosfäärin yläpuolella. Magneettisia häiriöitä havaittiin lähes jokaisella solalla maapallon korkeilla leveysasteilla. Nämä tulkittiin alun perin hydromagneettisiksi aalloiksi, mutta myöhemmässä analyysissä huomattiin, että ne johtuivat kenttäsuuntautuneista eli Birkelandin virtauksista.
Birkelandin tutkimusyritysten mittakaava oli sellainen, että rahoituksesta tuli ylivoimainen este. Koska hän ymmärsi, että teknologinen keksintö voisi tuoda vaurautta, hän kehitti sähkömagneettisen tykin ja perusti joidenkin sijoittajien kanssa ampuma-aseyhtiön. Kelatykki toimi, lukuun ottamatta hänen ennustamiaan suuria kuononopeuksia (600 m/s) ei saatu aikaan. Suurimmasta koneestaan hän sai korkeintaan 100 m / s, mikä vastaa pettymyksen tuottanutta ammuksen kantamaa vain 1 km. Niinpä hän nimesi laitteen ilmatorpedoksi ja järjesti mielenosoituksen, jonka nimenomaisena tavoitteena oli myydä yhtiö. Demonstraatiossa yksi käämeistä meni oikosulkuun ja sai aikaan sensaatiomaisen induktiivisen kaaren, johon kuului melua, liekkiä ja savua. Tämä oli ensimmäinen epäonnistuminen Birkelandin rakentamissa kantoraketeissa. Se olisi voitu helposti korjata ja järjestää Uusi mielenosoitus.
kohtalo kuitenkin puuttui peliin insinööri Sam Eyden muodossa. Vain viikkoa myöhemmin järjestetyissä illalliskutsuissa Eyde kertoi birkelandille, että teollisesti tarvittiin suurin salamanisku, joka voidaan tuoda maahan keinolannoitteen valmistamiseksi. Birkelandin vastaus oli: ”minulla on se!”Firearms Companya ei enää yritetty myydä, ja hän työskenteli Eyden kanssa vain tarpeeksi kauan rakentaakseen plasmakaarilaitteen typensidontaprosessia varten. Pari työskenteli kehittääkseen prototyyppiuunista rakenteen, joka olisi taloudellisesti kannattava laajamittaiseen valmistukseen. Tuloksena yhtiö, Norsk Hydro, erittäin rikastunut Norja, ja Birkeland sitten nautti riittävästi rahoitusta tutkimukseen, hänen ainoa todellinen etu.
Birkeland–Eyde-prosessi on suhteellisen tehoton energiankulutuksen suhteen. Niinpä 1910-ja 1920-luvuilla se korvattiin Norjassa vähitellen Haberin prosessin ja Ostwaldin prosessin yhdistelmällä.
vuonna 1913 Birkeland saattoi ensimmäisenä ennustaa, että plasmaa esiintyy kaikkialla avaruudessa. Hän kirjoitti: ”Se näyttää olevan luonnollinen seuraus meidän näkökulmastamme olettaa, että koko avaruus on täynnä elektroneja ja lentäviä sähköioneja kaikenlaisia. Olemme olettaneet, että jokainen evoluution tähtijärjestelmä sinkoaa sähkösoluja avaruuteen. Ei siksi Näytä järjettömältä ajatella, että suurin osa maailmankaikkeuden aineellisista massoista ei ole aurinkokunnissa tai tähtisumuissa, vaan ’tyhjässä’ avaruudessa.”
vuonna 1916 Birkeland oli luultavasti ensimmäinen henkilö, joka onnistui ennustamaan aurinkotuulen käyttäytyvän kuten kaikki varatut hiukkaset sähkökentässä: ”Fysikaalisesta näkökulmasta on mitä luultavinta, että auringonsäteet eivät ole yksinomaan negatiivisia eivätkä positiivisia säteitä, vaan molempia”. Toisin sanoen Aurinkotuuli koostuu sekä negatiivisista elektroneista että positiivisista ioneista.
ensimmäisen täydellisen kartan Birkelandin virtausten tilastollisesta sijainnista maapallon napa-alueella kehittivät A. J. Zmuda ja J. C. Armstrong vuonna 1974 ja tarkensivat T. Iijima ja T. A. vuonna 1976. Potemra
laaja-alaisena tutkijana Birkeland liittyi NSFPS: n valvontakomissioon (= Norwegian Society For Psychic Research). Seuran 299 jäseneen kuului vuoteen 1922 mennessä pääministeri Gunnar Knudsenin kaltaisia henkilöitä sekä monenlaisia lääkäreitä, professoreita ja laivanvarustajia. Seura järjesti piirejä, joissa kokeiltiin tanssipöytiä ja automaattikirjoitusta, mutta herätti enemmän huomiota järjestämällä ohjattuja kokeiluja kutsuttujen ulkomaisten meedioiden kanssa. Vuonna 1912 huijariksi paljastui detroitilainen etta Wriedt, joka oli kuuluisa ”henkitorvestaan”. Rouva Wriedtin ” trumpetin ”olisi pitänyt puhua muun muassa Hypatian” henkiäänellä”, mutta Norjassa” trumpetin puhallukset ” paljastuivat kaliumin ja veden tuottamina räjähdyksinä. Professori Birkeland huudahti tuolloin: ”olen oletettavasti kaikkia noitien polttamisia vastaan, mutta pikkuruinen rouva Wriedtin kunniaksi ei olisi ollut tiellä.”
