Birkeland a organizat mai multe expediții în regiunile cu latitudine înaltă din Norvegia, unde a stabilit o rețea de observatoare sub regiunile aurorale pentru a colecta date despre câmpul magnetic. Rezultatele expediției polare norvegiene efectuate între 1899 și 1900 au conținut prima determinare a modelului global al curenților electrici din regiunea polară din măsurătorile câmpului magnetic la sol. Descoperirea razelor X L-a inspirat pe Birkeland să dezvolte camere de vid pentru a studia influența magneților asupra razelor catodice. Birkeland a observat că un fascicul de electroni îndreptat spre o terrella magnetizată a fost ghidat spre polii magnetici și a produs inele de lumină în jurul polilor și a concluzionat că aurora ar putea fi produsă într-un mod similar. El a dezvoltat o teorie în care electronii energetici au fost expulzați din petele solare de pe suprafața solară, direcționați către Pământ și ghidați către regiunile polare ale Pământului de câmpul geomagnetic unde au produs Aurora vizibilă. Aceasta este în esență teoria aurorei de astăzi.
Birkeland a propus în 1908 în cartea sa expediția norvegiană Aurora Polaris 1902-1903 că curenții electrici polari, denumiți astăzi electrojete aurorale, au fost conectați la un sistem de curenți care curgeau de-a lungul liniilor câmpului geomagnetic în și departe de regiunea polară. Astfel de curenți aliniați la câmp sunt cunoscuți astăzi ca curenți Birkeland în onoarea sa. El a furnizat o diagramă a curenților aliniați pe câmp în carte, iar această diagramă a fost reprodusă pe spatele bancnotei norvegiene de 200 de coroane din seria a 7-A în colțul din dreapta jos, iar experimentul său terrella este prezentat în partea din față în stânga cu un portret al lui Birkeland în dreapta. Cartea despre expediția din 1902-1903 conține capitole despre furtunile magnetice de pe Pământ și relația lor cu soarele, originea soarelui însuși, cometa lui Halley și inelele lui Saturn.
viziunea lui Birkeland despre ceea ce sunt acum cunoscuți sub numele de curenți Birkeland a devenit sursa unei controverse care a continuat timp de peste o jumătate de secol, deoarece existența lor nu a putut fi confirmată doar prin măsurători la sol. Teoria sa a fost contestată și ridiculizată la acea vreme ca o teorie marginală de către oamenii de știință de masă, cel mai notoriu de eminentul geofizician și matematician britanic Sydney Chapman care a susținut opinia generală că curenții nu pot traversa vidul spațiului și, prin urmare, curenții trebuiau generați de pământ. Teoria lui Birkeland despre aurora a continuat să fie respinsă de astrofizicienii de masă după moartea sa în 1917. A fost susținut în special de omul de știință suedez în plasmă Hannes Alfv XVN, dar la rândul său, munca lui Alfv XVN a fost contestată și de Chapman.
dovada teoriei lui Birkeland despre aurora a venit abia în 1967 după ce o sondă a fost trimisă în spațiu. Rezultatele cruciale au fost obținute de la satelitul Marinei SUA 1963-38c, lansat în 1963 și purtând un magnetometru deasupra ionosferei. Perturbații magnetice au fost observate la aproape fiecare trecere peste regiunile de latitudine înaltă ale Pământului. Acestea au fost interpretate inițial ca unde hidromagnetice, dar la analiza ulterioară s-a realizat că acestea se datorează curenților aliniați la câmp sau Birkeland.
amploarea întreprinderilor de cercetare din Birkeland a fost de așa natură încât finanțarea a devenit un obstacol copleșitor. Recunoscând că invenția tehnologică ar putea aduce bogăție, el a dezvoltat un tun electromagnetic și, împreună cu unii investitori, a format o companie de arme de foc. Pistolul cu bobină a funcționat, cu excepția vitezelor ridicate ale botului pe care le-a prezis (600 m/s) nu au fost produse. Cel mai mult pe care l-a putut obține de la cea mai mare mașină a fost de 100 m/s, ceea ce corespunde unei game dezamăgitoare de proiectile de numai 1 km. Așa că a redenumit dispozitivul o torpilă aeriană și a aranjat o demonstrație cu scopul expres de a vinde compania. La demonstrație, una dintre bobine s-a scurtcircuitat și a produs un arc inductiv senzațional complet cu zgomot, flacără și fum. Acesta a fost primul eșec al oricăruia dintre lansatoarele construite de Birkeland. Ar fi putut fi ușor reparată și organizată o altă demonstrație.
cu toate acestea, soarta a intervenit sub forma unui inginer pe nume Sam Eyde. La o petrecere la doar o săptămână mai târziu, Eyde i-a spus lui Birkeland că există o nevoie industrială pentru cel mai mare fulger care poate fi adus pe Pământ pentru a face îngrășământ artificial. Răspunsul lui Birkeland a fost: „Îl am!”Nu au mai existat încercări de a vinde compania de arme de foc și a lucrat cu Eyde doar suficient de mult pentru a construi un dispozitiv cu arc de plasmă pentru procesul de fixare a azotului. Perechea a lucrat pentru a dezvolta cuptorul prototip într-un design viabil din punct de vedere economic pentru fabricarea pe scară largă. Compania rezultată, Norsk Hydro, a îmbogățit enorm Norvegia, iar Birkeland s-a bucurat apoi de finanțare adecvată pentru cercetare, singurul său interes real.
procesul Birkeland–Eyde este relativ ineficient în ceea ce privește consumul de energie. Prin urmare, în anii 1910 și 1920, a fost înlocuit treptat în Norvegia printr-o combinație între procesul Haber și procesul Ostwald.
în 1913, Birkeland ar fi fost primul care a prezis că plasma era omniprezentă în spațiu. El a scris: „Pare a fi o consecință firească a punctelor noastre de vedere să presupunem că întregul spațiu este umplut cu electroni și ioni electrici zburători de tot felul. Am presupus că fiecare sistem stelar în evoluții aruncă corpusculi electrici în spațiu. Prin urmare, nu pare nerezonabil să credem că cea mai mare parte a maselor materiale din univers se găsește nu în sistemele solare sau în nebuloase, ci în spațiul gol.”
în 1916, Birkeland a fost probabil prima persoană care a prezis cu succes că vântul solar se comportă la fel ca toate particulele încărcate într-un câmp electric: „Din punct de vedere fizic, este foarte probabil ca razele solare să nu fie nici exclusiv negative, nici pozitive, ci de ambele tipuri”. Cu alte cuvinte, vântul Solar constă atât din electroni negativi, cât și din ioni pozitivi.
Prima hartă completă a locației statistice a curenților Birkeland în regiunea polară a Pământului a fost dezvoltată în 1974 de A. J. Zmuda și J. C. Armstrong și rafinată în 1976 de T. Iijima și T. A. Potemra
ca savant cu interese largi, Birkeland s-a alăturat Comisiei de control a NSFPS (= societatea norvegiană pentru cercetări psihice). Cei 299 de membri ai societății includeau, până în 1922, oameni precum Primul ministru Gunnar Knudsen, precum și o gamă largă de medici, profesori și armatori. Societatea a aranjat cercuri experimentând cu mese de dans și Scriere automată, dar a atras mai multă atenție aranjând experimente controlate cu medii străine invitate. În 1912 a fost presupusa medie Etta Wriedt din Detroit, renumită pentru „trompeta spiritului”, care a fost expusă ca o fraudă. „Trompeta” doamnei Wriedt ar fi trebuit să vorbească cu” vocea spirituală”, printre altele, a Hypatiei, dar în Norvegia” loviturile trompetei ” au fost expuse ca explozii produse de potasiu și apă. Profesorul Birkeland a exclamat cu acea ocazie: „se presupune că sunt împotriva tuturor arderilor vrăjitoarelor, dar un teeny weeny în onoarea doamnei Wriedt nu ar fi fost în cale.”
