Birkeland organiseerde verschillende expedities naar Noorwegen ’s hoge breedtegraad regio’ s waar hij een netwerk van observatoria onder de poollicht regio ‘ s opzette om magnetische veldgegevens te verzamelen. De resultaten van de Noorse poolexpeditie van 1899 tot 1900 bevatten de eerste bepaling van het globale patroon van elektrische stromen in het poolgebied door metingen van het aardmagnetisch veld. De ontdekking van röntgenstralen inspireerde Birkeland om vacuümkamers te ontwikkelen om de invloed van magneten op kathodestralen te bestuderen. Birkeland merkte op dat een elektronenbundel gericht op een gemagnetiseerde terrella naar de magnetische Polen werd geleid en ringen van licht rond de Polen produceerde en concludeerde dat de aurora op een vergelijkbare manier kon worden geproduceerd. Hij ontwikkelde een theorie waarin energetische elektronen uit zonnevlekken op het zonneoppervlak werden uitgestoten, naar de aarde werden geleid en naar de poolgebieden van de aarde werden geleid door het geomagnetische veld waar ze het zichtbare aurora produceerden. Dit is in wezen de theorie van de aurora vandaag.Birkeland stelde in 1908 in zijn boek The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 voor dat elektrische polaire stromen, tegenwoordig poollichtelektrojets genoemd, verbonden waren met een stroomsysteem dat langs geomagnetische veldlijnen stroomde in en weg van het poolgebied. Dergelijke veld-uitgelijnde stromingen staan tegenwoordig bekend als Birkeland stromingen ter ere van hem. Hij gaf in het boek een diagram van de in het veld uitgelijnde stromen, en dit diagram werd gereproduceerd op de achterkant van het Noorse 7de-serie bankbiljet van 200 kronen in de rechterbenedenhoek, en zijn terrella-experiment is aan de voorkant links afgebeeld met een portret van Birkeland aan de rechterkant. Het boek over de expeditie van 1902-1903 bevat hoofdstukken over magnetische stormen op de aarde en hun relatie met de zon, de oorsprong van de zon zelf, Halley ‘ s komeet en de ringen van Saturnus.Birkelands visie op wat nu bekend staat als Birkelandstromingen werd de bron van een controverse die meer dan een halve eeuw duurde, omdat hun bestaan niet kon worden bevestigd door metingen op de grond alleen. Zijn theorie werd in die tijd betwist en belachelijk gemaakt door mainstream wetenschappers, vooral berucht door de eminente Britse geofysicus en wiskundige Sydney Chapman, die de mainstream opvatting betoogde dat stromingen het vacuüm van de ruimte niet konden passeren en daarom de stromingen door de aarde moesten worden gegenereerd. Birkelands theorie van de aurora werd na zijn dood in 1917 nog steeds verworpen door de reguliere astrofysici. Het werd met name verdedigd door de Zweedse plasmawetenschapper Hannes Alfvén, maar Alfvén ‘ s werk op zijn beurt werd ook betwist door Chapman.Bewijs van Birkelands theorie van de aurora kwam pas in 1967 nadat een sonde de ruimte in werd gestuurd. De cruciale resultaten werden verkregen van de US Navy satelliet 1963-38C, gelanceerd in 1963 en het dragen van een magnetometer boven de ionosfeer. Magnetische storingen werden waargenomen op bijna elke doorgang over de hoge breedtegraad van de aarde. Deze werden oorspronkelijk geïnterpreteerd als hydromagnetische golven, maar bij latere analyse werd gerealiseerd dat ze te wijten waren aan veld-uitgelijnde of Birkeland stromen.
de omvang van de Onderzoeksondernemingen van Birkeland was zodanig dat de financiering een overweldigend obstakel werd. Erkennend dat technologische uitvindingen rijkdom kunnen brengen, ontwikkelde hij een elektromagnetisch kanon en vormde samen met enkele investeerders een vuurwapenbedrijf. Het spoelpistool werkte, maar de hoge muilkorfsnelheden die hij voorspelde (600 m / s) werden niet geproduceerd. Het maximum dat hij uit zijn grootste machine kon halen was 100 m/s, wat overeenkomt met een teleurstellende projectielafstand van slechts 1 km. Dus hij hernoemde het apparaat een lucht torpedo en regelde een demonstratie met het uitdrukkelijke doel van de verkoop van het bedrijf. Bij de demonstratie, een van de spoelen kortgesloten en produceerde een sensationele inductieve boog compleet met lawaai, vlam en rook. Dit was de eerste mislukking van een van de draagraketten die Birkeland had gebouwd. Het had gemakkelijk kunnen worden gerepareerd en een andere demonstratie georganiseerd.Het lot kwam echter tussenbeide in de vorm van een ingenieur genaamd Sam Eyde. Op een diner slechts een week later, Eyde vertelde Birkeland dat er een industriële behoefte aan de grootste bliksemflits die naar beneden kan worden gebracht om kunstmest te maken. Birkeland ’s antwoord was,” ik heb het!”Er waren geen pogingen meer om het vuurwapenbedrijf te verkopen, en hij werkte met Eyde slechts lang genoeg om een plasmaboogapparaat te bouwen voor het stikstoffixatieproces. Het duo werkte aan de ontwikkeling van de prototype oven tot een ontwerp dat economisch haalbaar was voor grootschalige fabricage. Het resulterende bedrijf, Norsk Hydro, verrijkt Noorwegen enorm, en Birkeland genoot toen voldoende financiering voor onderzoek, zijn enige echte interesse.
het Birkeland-Eyde-proces is relatief inefficiënt wat het energieverbruik betreft. Daarom werd het in de jaren 1910 en 1920 in Noorwegen geleidelijk vervangen door een combinatie van het Haber-proces en het Ostwald-proces.In 1913 was Birkeland de eerste die voorspelde dat plasma alomtegenwoordig was in de ruimte. Hij schreef: “Het lijkt een natuurlijk gevolg van onze standpunten om aan te nemen dat de hele ruimte gevuld is met elektronen en vliegende elektrische ionen van alle soorten. We hebben aangenomen dat elk stellair systeem in evoluties elektrische bloedlichaampjes de ruimte in stuurt. Het lijkt daarom niet onredelijk om te denken dat het grootste deel van de materiële massa ’s in het universum wordt gevonden, niet in de zonnestelsels of nevels, maar in’ lege ‘ ruimte.”
in 1916 was Birkeland waarschijnlijk de eerste persoon die met succes voorspelde dat de zonnewind zich gedraagt als alle geladen deeltjes in een elektrisch veld.: “Vanuit een fysiek oogpunt is het zeer waarschijnlijk dat zonnestralen noch uitsluitend negatieve noch positieve stralen zijn, maar van beide soorten”. Met andere woorden, de zonnewind bestaat uit zowel negatieve elektronen als positieve ionen.
de eerste volledige kaart van de statistische locatie van Birkeland-stromingen in het poolgebied van de aarde werd in 1974 ontwikkeld door A. J. Zmuda en J. C. Armstrong en verfijnd in 1976 door T. Iijima en T. A. Potemra
als een geleerde met brede belangen sloot Birkeland zich aan bij de Controlecommissie van NSFPS (= Noorse Vereniging voor paranormaal onderzoek). De 299 leden van de vereniging omvatten, tegen 1922, mensen als premier Gunnar Knudsen, evenals een breed scala van artsen, professoren en reders. De vereniging regelde kringen experimenteren met danstafels en automatisch schrijven, maar trok meer aandacht het regelen van gecontroleerde experimenten met uitgenodigde buitenlandse media. In 1912 was het het vermeende medium Etta Wried uit Detroit, beroemd om haar” spirit trompet”, die werd ontmaskerd als een fraudeur. Mevrouw Wrriedt ‘s” trompet “had moeten spreken met de” geeststem “van onder andere Hypatia, maar in Noorwegen werden de” trompetslagen ” blootgesteld aan explosies die door kalium en water werden veroorzaakt. Professor Birkeland riep bij die gelegenheid uit: “Ik ben zogenaamd tegen alle heksenverbrandingen, maar een piepkleine ter ere van mevrouw Wried zou niet in de weg hebben gestaan.”
