Birkeland organizzò diverse spedizioni nelle regioni ad alta latitudine della Norvegia dove stabilì una rete di osservatori sotto le regioni aurorali per raccogliere dati sul campo magnetico. I risultati della Spedizione polare norvegese condotta dal 1899 al 1900 contenevano la prima determinazione del modello globale delle correnti elettriche nella regione polare dalle misurazioni del campo magnetico terrestre. La scoperta dei raggi X ha ispirato Birkeland a sviluppare camere a vuoto per studiare l’influenza dei magneti sui raggi catodici. Birkeland notò che un fascio di elettroni diretto verso una terrella magnetizzata era guidato verso i poli magnetici e produceva anelli di luce attorno ai poli e concluse che l’aurora poteva essere prodotta in modo simile. Sviluppò una teoria in cui gli elettroni energetici venivano espulsi dalle macchie solari sulla superficie solare, diretti verso la Terra e guidati verso le regioni polari della Terra dal campo geomagnetico dove producevano l’aurora visibile. Questa è essenzialmente la teoria dell’aurora oggi.
Birkeland propose nel 1908 nel suo libro The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 che le correnti elettriche polari, oggi chiamate elettrojets aurorali, erano collegate a un sistema di correnti che scorrevano lungo le linee di campo geomagnetico dentro e fuori dalla regione polare. Tali correnti allineate sul campo sono conosciute oggi come correnti Birkeland in suo onore. Ha fornito un diagramma di correnti allineate sul campo nel libro, e questo diagramma è stato riprodotto sul retro della banconota norvegese da 200 corone della 7a serie nell’angolo in basso a destra, e il suo esperimento terrella è mostrato sul davanti a sinistra con un ritratto di Birkeland a destra. Il libro sulla spedizione 1902-1903 contiene capitoli sulle tempeste magnetiche sulla Terra e la loro relazione con il Sole, l’origine del Sole stesso, la cometa di Halley e gli anelli di Saturno.
La visione di Birkeland di quelle che ora sono conosciute come correnti Birkeland divenne la fonte di una controversia che continuò per oltre mezzo secolo, perché la loro esistenza non poteva essere confermata dalle sole misurazioni a terra. La sua teoria fu contestata e ridicolizzata all’epoca come teoria marginale dagli scienziati mainstream, più notoriamente dall’eminente geofisico e matematico britannico Sydney Chapman che sosteneva la visione mainstream che le correnti non potevano attraversare il vuoto dello spazio e quindi le correnti dovevano essere generate dalla Terra. La teoria dell’aurora di Birkeland continuò ad essere scartata dagli astrofisici tradizionali dopo la sua morte nel 1917. È stato in particolare sostenuto dallo scienziato svedese del plasma Hannes Alfvén, ma il lavoro di Alfvén a sua volta è stato contestato anche da Chapman.
La prova della teoria dell’aurora di Birkeland arrivò solo nel 1967 dopo che una sonda fu inviata nello spazio. I risultati cruciali sono stati ottenuti da U. S. Navy satellite 1963-38C, lanciato nel 1963 e portando un magnetometro sopra la ionosfera. Disturbi magnetici sono stati osservati su quasi ogni passaggio sopra le regioni ad alta latitudine della Terra. Queste sono state originariamente interpretate come onde idromagnetiche, ma su analisi successive si è capito che erano dovute a correnti allineate sul campo o Birkeland.
Le dimensioni delle imprese di ricerca di Birkeland erano tali che i finanziamenti diventavano un ostacolo schiacciante. Riconoscendo che l’invenzione tecnologica poteva portare ricchezza, sviluppò un cannone elettromagnetico e, con alcuni investitori, formò una compagnia di armi da fuoco. Il coil-gun ha funzionato, tranne che le alte velocità del muso che aveva previsto (600 m/s) non sono state prodotte. Il massimo che poteva ottenere dalla sua macchina più grande era di 100 m/s, corrispondente a una gamma di proiettili deludente di soli 1 km. Così ha ribattezzato il dispositivo un siluro aereo e ha organizzato una dimostrazione con l’obiettivo esplicito di vendere l’azienda. Alla dimostrazione, una delle bobine si è cortocircuitata e ha prodotto un arco induttivo sensazionale completo di rumore, fiamma e fumo. Questo fu il primo fallimento di uno qualsiasi dei lanciatori che Birkeland aveva costruito. Avrebbe potuto facilmente essere riparato e un’altra dimostrazione organizzata.
Tuttavia, il destino intervenne sotto forma di un ingegnere di nome Sam Eyde. Ad una cena solo una settimana dopo, Eyde ha detto Birkeland che c’era un bisogno industriale per il più grande lampo che può essere portato con i piedi per terra al fine di rendere fertilizzante artificiale. Birkeland rispose: “Ce l’ho!”Non ci sono stati più tentativi di vendere la società di armi da fuoco, e ha lavorato con Eyde solo abbastanza a lungo per costruire un dispositivo ad arco al plasma per il processo di fissazione dell’azoto. La coppia ha lavorato per sviluppare il prototipo di forno in un progetto economicamente sostenibile per la produzione su larga scala. La società risultante, Norsk Hydro, arricchì enormemente la Norvegia, e Birkeland godette quindi di finanziamenti adeguati per la ricerca, il suo unico vero interesse.
Il processo Birkeland–Eyde è relativamente inefficiente in termini di consumo energetico. Pertanto, negli anni 1910 e 1920, fu gradualmente sostituito in Norvegia da una combinazione del processo Haber e del processo Ostwald.
Nel 1913, Birkeland potrebbe essere stato il primo a prevedere che il plasma fosse onnipresente nello spazio. Ha scritto: “Sembra essere una conseguenza naturale dei nostri punti di vista supporre che l’intero spazio sia pieno di elettroni e ioni elettrici volanti di tutti i tipi. Abbiamo ipotizzato che ogni sistema stellare in evoluzioni butti via corpuscoli elettrici nello spazio. Non sembra quindi irragionevole pensare che la maggior parte delle masse materiali nell’universo si trovi, non nei sistemi solari o nelle nebulose, ma nello spazio ‘vuoto’.”
Nel 1916, Birkeland fu probabilmente la prima persona a prevedere con successo che il vento solare si comporta come tutte le particelle cariche in un campo elettrico: “Da un punto di vista fisico è molto probabile che i raggi solari non siano né raggi esclusivamente negativi né positivi, ma di entrambi i tipi”. In altre parole, il vento solare è costituito sia da elettroni negativi che da ioni positivi.
La prima mappa completa della posizione statistica delle correnti di Birkeland nella regione polare terrestre fu sviluppata nel 1974 da A. J. Zmuda e J. C. Armstrong e perfezionata nel 1976 da T. Iijima e T. A. Potemra
Come studioso con ampi interessi, Birkeland entrò a far parte della commissione di controllo della NSFPS (= Società norvegese per la Ricerca psichica). I 299 membri della società includevano, nel 1922, persone come il primo ministro Gunnar Knudsen, oltre a una vasta gamma di medici, professori e armatori. La società organizzò circoli che sperimentavano tavoli da ballo e scrittura automatica, ma attirò più attenzione organizzando esperimenti controllati con medium stranieri invitati. Nel 1912 fu la presunta medium Et Wriedt di Detroit, famosa per la sua “tromba dello spirito”, a essere smascherata come una frode. La “tromba” della signora Wriedt avrebbe dovuto parlare con la” voce dello spirito”, tra gli altri, di Ipazia, ma in Norvegia i” colpi di tromba ” erano esposti come esplosioni prodotte dal potassio e dall’acqua. Il professor Birkeland esclamò in quell’occasione, ” Sono presumibilmente contro tutti i roghi di streghe, ma un teeny weeny in onore della signora Wriedt non sarebbe stato di intralcio.”
