Birkeland organizou várias expedições para a Noruega de alta-regiões de latitude, onde ele estabeleceu uma rede de observatórios sob a auroreal regiões para se recolher do campo magnético de dados. Os resultados da expedição Polar Norueguesa realizada de 1899 a 1900 continham a primeira determinação do padrão global de correntes elétricas na região polar a partir de medições de campo magnético terrestre. A descoberta de raios-X inspirou Birkeland a desenvolver câmaras de vácuo para estudar a influência dos ímãs nos raios catódicos. Birkeland notou que um feixe de elétrons direcionado para um terrella magnetizado foi guiado em direção aos pólos magnéticos e produziu anéis de luz ao redor dos pólos e concluiu que a aurora poderia ser produzida de maneira semelhante. Ele desenvolveu uma teoria na qual elétrons energéticos foram ejetados de manchas solares na superfície solar, direcionados para a terra, e guiados para as regiões polares da terra pelo campo geomagnético onde produziram a aurora visível. Esta é essencialmente a teoria da aurora hoje.Birkeland propôs em 1908 em seu livro The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 que as correntes elétricas polares, hoje chamadas de eletrojetas aurorais, estavam conectadas a um sistema de correntes que fluíam ao longo das linhas de campo geomagnético para dentro e para longe da região polar. Essas correntes alinhadas ao campo são conhecidas hoje como correntes Birkeland em sua homenagem. Ele forneceu um diagrama de correntes alinhadas ao campo no livro, e este diagrama foi reproduzido na parte de trás da nota Norueguesa da 7ª série de 200 coroas no canto inferior direito, e seu experimento terrella é mostrado na frente à esquerda com um retrato de Birkeland à direita. O livro sobre a expedição de 1902-1903 contém capítulos sobre tempestades magnéticas na terra e sua relação com o sol, a origem do próprio sol, o cometa Halley e os anéis de Saturno.A visão de Birkeland do que agora é conhecido como correntes de Birkeland tornou-se a fonte de uma Controvérsia que continuou por mais de meio século, porque sua existência não pôde ser confirmada apenas a partir de medições terrestres. Sua teoria foi contestada e ridicularizada, no momento, como uma franja teoria pela maioria dos cientistas, o mais notório pelo eminente Britânico geofísico e matemático Sydney Chapman, que defendiam o mainstream vista que as correntes não poderiam cruzar o vácuo do espaço e, portanto, as correntes tinha que ser gerada pela Terra. A teoria da aurora de Birkeland continuou a ser descartada pelos principais astrofísicos após sua morte em 1917. Foi notavelmente defendido pelo cientista de plasma Sueco Hannes Alfvén, mas o trabalho de Alfvén, por sua vez, também foi contestado por Chapman.A prova da teoria da aurora de Birkeland só veio em 1967 depois que uma sonda foi enviada para o espaço. Os resultados cruciais foram obtidos do satélite da Marinha dos EUA 1963-38C, lançado em 1963 e carregando um magnetômetro acima da ionosfera. Distúrbios magnéticos foram observados em quase todas as passagens sobre as regiões de alta latitude da Terra. Estes foram originalmente interpretados como ondas hidromagnéticas, mas em análises posteriores percebeu-se que eram devido a correntes alinhadas ao campo ou Birkeland.A escala das empresas de pesquisa de Birkeland era tal que o financiamento se tornou um obstáculo esmagador. Reconhecendo que a invenção tecnológica poderia trazer riqueza, ele desenvolveu um canhão eletromagnético e, com alguns investidores, formou uma empresa de armas de fogo. A bobina funcionou, exceto que as altas velocidades de focinho que ele previu (600 m / s) não foram produzidas. O máximo que ele conseguiu de sua maior máquina foi de 100 m/s, correspondendo a um alcance de projéteis decepcionante de apenas 1 km. Então ele renomeou o dispositivo como um torpedo aéreo e organizou uma demonstração com o objetivo expresso de vender a empresa. Na demonstração, uma das bobinas em curto e produziu um arco indutivo sensacional completo com ruído, chama e fumaça. Este foi o primeiro fracasso de qualquer um dos lançadores que Birkeland havia construído. Poderia facilmente ter sido reparado e outra demonstração organizada.No entanto, o destino interveio na forma de um engenheiro chamado Sam Eyde. Em um jantar apenas uma semana depois, Eyde disse a Birkeland que havia uma necessidade industrial do maior raio que pode ser trazido à terra para fazer fertilizantes artificiais. A resposta de Birkeland foi: “eu tenho!”Não houve mais tentativas de vender a empresa de armas de fogo, e ele trabalhou com a Eyde apenas o tempo suficiente para construir um dispositivo de arco de plasma para o processo de fixação de nitrogênio. O par trabalhou para desenvolver o protótipo do forno em um projeto economicamente viável para fabricação em larga escala. A empresa resultante, Norsk Hydro, enriqueceu enormemente a Noruega e Birkeland, então desfrutou de financiamento adequado para pesquisa, seu único interesse real.
o processo Birkeland–Eyde é relativamente ineficiente em termos de consumo de energia. Portanto, nas décadas de 1910 e 1920, foi gradualmente substituído na Noruega por uma combinação do processo Haber e do processo Ostwald.Em 1913, Birkeland pode ter sido o primeiro a prever que o plasma era onipresente no espaço. Ele escreveu: “Parece ser uma consequência natural de nossos pontos de vista supor que todo o espaço está cheio de elétrons e íons elétricos voadores de todos os tipos. Assumimos que cada sistema estelar em evoluções joga corpúsculos elétricos no espaço. Não parece, portanto, irracional pensar que a maior parte das massas materiais no universo é encontrada, não nos sistemas solares ou nebulosas, mas no espaço “vazio”.”
em 1916, Birkeland foi provavelmente a primeira pessoa a prever com sucesso que o vento solar se comporta como todas as partículas carregadas em um campo elétrico: “Do ponto de vista físico, é mais provável que os raios solares não sejam exclusivamente negativos nem positivos, mas de ambos os tipos”. Em outras palavras, o vento Solar consiste em elétrons negativos e íons positivos.
O primeiro mapa completo da estatística local de Birkeland correntes na Terra da região polar foi desenvolvido em 1974 por A. J. Zmuda e J. C. Armstrong e refinado em 1976 por T. Iijima e T. A. Potemra
como estudioso com amplos interesses, Birkeland ingressou na Comissão de controle da NSFPS (= sociedade norueguesa de pesquisa psíquica). Os 299 membros da sociedade incluíam, em 1922, pessoas como o primeiro-ministro Gunnar Knudsen, bem como uma ampla gama de médicos, professores e armadores. A sociedade organizou círculos experimentando mesas de dança e escrita automática, mas atraiu mais atenção organizando experimentos controlados com médiuns estrangeiros convidados. Em 1912, foi a suposta médium Etta Wriedt de Detroit, famosa por seu” trompete espiritual”, que foi exposta como uma fraude. A “trombeta” de Wriedt deveria ter falado com a “voz espiritual” de, entre outros, Hypatia, mas na Noruega os “trombetas” foram expostos como explosões produzidas por potássio e água. O Professor Birkeland exclamou naquela ocasião: “eu sou supostamente contra todas as queimadas de bruxas, mas uma pequenina em homenagem à Sra.”
