Birkeland zorganizował kilka ekspedycji do Norweskich regionów o wysokiej szerokości geograficznej, gdzie założył sieć obserwatoriów w regionach zorzy polarnej w celu zbierania danych o polu magnetycznym. Wyniki Norweskiej ekspedycji polarnej, przeprowadzonej w latach 1899-1900, zawierały pierwsze określenie globalnego wzorca prądów elektrycznych w rejonie biegunowym na podstawie ziemskich pomiarów pola magnetycznego. Odkrycie promieniowania rentgenowskiego zainspirowało Birkelanda do opracowania komór próżniowych do badania wpływu magnesów na promienie katodowe. Birkeland zauważył, że wiązka elektronów skierowana w kierunku namagnesowanej terrelli była kierowana w kierunku biegunów magnetycznych i wytwarzała pierścienie światła wokół biegunów i doszedł do wniosku, że zorza może być wytwarzana w podobny sposób. Opracował teorię, w której elektrony energetyczne były wyrzucane z plam słonecznych na powierzchni Słońca, kierowane do ziemi i kierowane do ziemskich regionów polarnych przez pole geomagnetyczne, gdzie wytwarzały widzialną zorzę polarną. Jest to zasadniczo teoria Aurory dzisiaj.
Birkeland zaproponował w 1908 roku w swojej książce The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903, że polarne prądy elektryczne, dziś określane jako elektrojety zorzy polarnej, były połączone z systemem prądów, które płynęły wzdłuż linii pola geomagnetycznego do i z regionu polarnego. Takie prądy polowe są dziś znane jako prądy Birkelanda na jego cześć. W książce przedstawił schemat prądów wyrównanych do pola, a ten schemat został odtworzony na odwrocie norweskiego banknotu 200 koron 7. serii w prawym dolnym rogu, a jego eksperyment terrella jest pokazany z przodu po lewej stronie z portretem Birkelanda po prawej. Książka o wyprawie z lat 1902-1903 zawiera rozdziały na temat burz magnetycznych na Ziemi i ich związku ze Słońcem, pochodzenia samego słońca, komety Halleya i pierścieni Saturna.
wizja birkelanda dotycząca prądów Birkelanda stała się źródłem kontrowersji, która trwała ponad pół wieku, ponieważ ich istnienia nie można było potwierdzić jedynie na podstawie pomiarów naziemnych. Jego teoria była kwestionowana i wyśmiewana w tym czasie jako teoria marginesowa przez głównych naukowców, najbardziej notorycznie przez wybitnego brytyjskiego Geofizyka i matematyka Sydney Chapmana, który twierdził, że główny nurt nie może przekroczyć próżni przestrzeni i dlatego prądy musiały być generowane przez Ziemię. Teoria birkelanda o Aurorze została odrzucona przez głównych astrofizyków po jego śmierci w 1917 roku. Jego zwolennikiem był szwedzki naukowiec zajmujący się plazmą, Hannes Alfvén, ale prace Alfvéna były również kwestionowane przez Chapmana.
dowód teorii Birkelanda o Aurorze pojawił się dopiero w 1967 roku po wysłaniu sondy w kosmos. Kluczowe wyniki uzyskano z satelity US Navy 1963-38C, wystrzelonego w 1963 roku i przenoszącego magnetometr nad jonosferą. Zaburzenia magnetyczne obserwowano na prawie każdym przejściu nad obszarami ziemi o dużej szerokości geograficznej. Pierwotnie były one interpretowane jako fale hydromagnetyczne, ale w późniejszych analizach okazało się, że były one spowodowane przez prądy polowe lub Birkelanda.
skala przedsiębiorstw badawczych Birkelanda była taka, że finansowanie stało się przytłaczającą przeszkodą. Uznając, że wynalazek technologiczny może przynieść bogactwo, opracował armatę elektromagnetyczną i, z niektórymi inwestorami, założył firmę broni palnej. Działo działało, z wyjątkiem przewidywanych przez niego dużych prędkości wylotowych (600 m/s), które nie były produkowane. Największy jego zasięg wynosił 100 m / s, co odpowiadało rozczarowującemu zasięgowi pocisku wynoszącemu zaledwie 1 km. Zmienił więc urządzenie na torpedę lotniczą i zorganizował demonstrację z wyraźnym celem sprzedaży firmy. Podczas demonstracji jedna z cewek zwarła się i wytworzyła sensacyjny łuk indukcyjny wraz z hałasem, płomieniem i dymem. Była to pierwsza awaria którejkolwiek z wyrzutni zbudowanych przez Birkelanda. Można go było łatwo naprawić i zorganizować kolejną demonstrację.
jednak los interweniował w postaci inżyniera sama Eyde. Na przyjęciu zaledwie tydzień później Eyde powiedział Birkelandowi, że istnieje przemysłowe zapotrzebowanie na największy błysk błyskawicy, który można sprowadzić na Ziemię, aby wyprodukować sztuczny nawóz. Odpowiedź birkelanda brzmiała: „mam ją!”Nie było więcej prób sprzedaży firmy broni palnej, a pracował z Eyde tylko wystarczająco długo, aby zbudować urządzenie do łuku plazmowego do procesu wiązania azotu. Para pracowała nad opracowaniem prototypowego pieca do konstrukcji, która była ekonomicznie opłacalna do produkcji na dużą skalę. Powstała w ten sposób firma Norsk Hydro wzbogaciła Norwegię, a Birkeland cieszył się wówczas wystarczającymi funduszami na badania, które były jego jedynym prawdziwym zainteresowaniem.
proces Birkelanda–Eyde jest stosunkowo nieefektywny pod względem zużycia energii. W związku z tym w latach 1910 i 1920 był stopniowo zastępowany w Norwegii przez połączenie procesu Habera i procesu Ostwalda.
w 1913 Birkeland mógł być pierwszym, który przewidział, że plazma jest wszechobecna w kosmosie. Napisał: „Naturalną konsekwencją naszego punktu widzenia wydaje się założenie, że cała przestrzeń jest wypełniona elektronami i latającymi jonami elektrycznymi wszelkiego rodzaju. Założyliśmy, że każdy układ gwiezdny w ewolucji wyrzuca w Przestrzeń elektryczne ciałka. Nie wydaje się zatem nierozsądne myślenie, że większa część mas materialnych we wszechświecie znajduje się nie w układach słonecznych czy mgławicach, ale w „pustej” przestrzeni.”
w 1916 roku Birkeland był prawdopodobnie pierwszą osobą, która z powodzeniem przewidziała, że wiatr słoneczny zachowuje się tak, jak wszystkie naładowane cząstki w polu elektrycznym: „Z fizycznego punktu widzenia jest najbardziej prawdopodobne, że promienie słoneczne nie są ani wyłącznie negatywnymi, ani dodatnimi promieniami, ale obu rodzajów”. Innymi słowy, Wiatr Słoneczny składa się zarówno z ujemnych elektronów, jak i jonów dodatnich.
pierwsza kompletna mapa statystycznego położenia prądów Birkelanda w ziemskim regionie polarnym została opracowana w 1974 roku przez A. J. Zmudę i J. C. Armstronga, a udoskonalona w 1976 roku przez T. Iijimę i T. A. Potemra
jako uczony o szerokich zainteresowaniach, Birkeland dołączył do Komisji Kontroli NSFPS (=norweskiego Towarzystwa Badań nad Parapsychicznymi). Do 1922 roku w skład Towarzystwa wchodziło 299 członków, takich jak premier Gunnar Knudsen, a także wielu lekarzy, profesorów i armatorów. Towarzystwo organizowało kręgi eksperymentujące ze stołami tanecznymi i automatycznym pisaniem, ale przyciągało większą uwagę organizując kontrolowane eksperymenty z zaproszonymi zagranicznymi mediami. W 1912 roku domniemaną medium Etta Wriedt z Detroit, znaną ze swojej „duchowej trąbki”, została zdemaskowana jako oszustwo. „Trąbka” Pani Wriedt powinna przemawiać „głosem ducha „m.in. Hypatii, ale w Norwegii” ciosy w trąbkę ” zostały ujawnione jako eksplozje wytwarzane przez potas i wodę. Profesor Birkeland wykrzyknął przy tej okazji: „podobno jestem przeciwny wszelkim poparzeniom czarownic, ale malutki weeny na cześć Pani Wriedt nie stałby na drodze.”
