Kristian Birkeland. Mennesket og Forskeren

Transkript

1 Kristian Birkeland Mennesket og Forskeren A. Egeland Fysisk institutt Universitetet i Oslo

2

3 Innhold 3. C.V. for Professor Birkeland 5. Industriforskeren 3. Naturvitenskapsmannen 4: Birkelands arbeid med Nordlys & Geomagnetiske Forstyrrelser 5: Birkelands Univers sola, kometer, Saturns ringer - Historien om Birkeland strømmene, jii 6: Birkelands Liv og Virke 7: Konklusjoner

4 OLAF KRISTIAN Født: BERNHARD BIRKELAND i Kristiania (Oslo fra 1925) : Utdannelse : Lærer og Uni. Stipendiat UiK : Postgrad. Studier ved a) France (H. Poincaré) *** b) Switzerland (Sarasin and de la Rive) c) Germany (H. Hertz and Philippe E Lenard) : Postgrad. Forskning 1895: Begynte med Sol-Jord fysikk. 1897: Medlem i Vit.- Academy 1898: Professor i fysikk : 1917: Egypt-oppholdet. Døde i Japan, 49,5 år. Publiserte: 88 scientific avhandlinger(> 50 i Comptes Rendus) og 3 bøker. Hovedavh. 800 sider i stort format. Birkeland hadde 60 patenter.

5 Industriforskeren Birkelands 60 patenter. Mest kjente er: 7. Birkelands elektromagnetiske kanon (190103). 8. Etableringen av Norsk Hydro A/S i Thomson( ) skrev i 1906 Bound to confess, a fully developed industrial process worked wonderful 3. Elektriske brytere/koblinger: 4. Radiobølger og røntgen stråler. 5. I 1906 (6 år før Bohrs og Rutherfordes teorier) søker Birkeland Wallenberg, bankfamilien i Stockholm, om penger for å utnytte atom energi.

6 Birkelands kanon ~ 3 m ca (2000 V & A). Brukt i US railguns STAR WAR program.

7 Birkeland skjøt papegøyen (fra vittighetsbladet Vikingen)

8 Birkelands demonstrasjon gallaforedrag i Gamle Festsal, UiO.

9 Nitrogenprosessen, 1905 El. Power H2O NO Abs. HNO3 N -oxidation O2 Air N2+O2 N2 + O2 = 2NO 4NO+ 2H2O + 3O2 = 4HNO3

10 Birkeland-Eyde prosessen 4000K NO is also decomposing O N N O N2 O2 N O NO 58,78 % N N 0,32 % 7,91 % 31,96 % O 1,04 % N N N O O 3500K Max NO is formed N2 O2 N O NO N O 69,88 % 7,70 % 0,16 % 20,52 % 1,75 % NN O NO NN OO NN OO 2200K reaction become slow N2 O2 N O NO NN 76,50 % 17,43 % 0,00 % OO 5,11 % 0,96 % O

11 Flammeskiven som reddet verden fra sult. Elektrodene Magnet polen The electric arc is forming an alternating flat hemisphere on both sides of the two electrodes Once the arc was established, the air was ionised, and the arc was burning like a stable white flame

12 Første Norsk Hydro fabrikken (1905) med 2000 ansatte. 600 kg saltpeter per /kw-år liter luft/min gjennom ovnen. (Kost: 1kr for 600 kwh) 3

13 Kongen besøker den nye fabrikken og Adminiet på Notodden

14 Birkelands publikasjoner før univ. eksamen På gymnaset skrev han en18sider avhandling Une methode enumerative de la geometrie, senere trykt i Comptes Rendus. 3 andre math. papers før student-eksamen i teoretiske avhandlinger relatert til elektromagnetiske bølger;

15 Første side av COMPTES RENDUS. First general solution of Maxwell s eqs. (1895). Et 51 p. paper i Archives SPN.

16 Eksperimenter fra 1895: Magnetisk linse. Skrev bokstaver & simulerte plasma-ball toys. Oppdaget elektronet?

17 Birkelands Nordlyskrukke Utlandningsrør med bevegelig magnet (1896)!

18 Kjent om Nordlyset før 1895 Aurora navnet: 7. Ikke polarisert? 8. Statistisk resultat Nordlyssonen ( 23º ) 9. Aurora - Solflekker

19 Birkelands Nordlysteori Et Bud fra Solen Var Katodestråler bølger eller partikler? Jordas magnetfelt strålene (nordlysets) veiviser. En ny type sol-jord forbindelse som trosset gravitasjonen.

20 Sol- Jord forbindelser ~ , Lord Kelvin den store 1900 fysikeren, ved Royal Society: No matter passes between the Sun and the Earth. Kelvins konklusjon avvist av Birkeland Kelvin: Forced to conclude that the supposed connection between magnetic storms and sunspot is unreal. Agreement - mere coincidense. No mention of copuscular radiation from the Sun. For å slippe ut fra Solens gravitasjon, v > 620 km/s. For H+ ~ 2 kev.eller T > 106; i. e. 400 ganger > e-m radiation. Feil måte å tenke på

21 Birkelands laboratorie simuleringer Først UTLADNINGSRØR 1895: Med en flyttbar magnet på utsiden Producedgas Laboratorie nordlys i 10 forskjellige utladningsrør : Terrella eksperimentene Mange forskjellige Terralla kammere NB: Sylinder/kule formedeterrellaer (10 ) dimensjoner fra 2.5, 4-36 cm. (70 cm.) Senere kubiske terrella kamera (15, 30, 70, 340, 1000 l): cf. 200 kr seddelen. Strømmen for B-feltet A. Tok samtidige bilder fra 8 forskjellige retninger og med mange skjermer.

22 Prinsippet for selve TERRELLAEN.

23 Terrella simuleringen.

24 Birkelands 16 forskjellige laboratorie kammera.

25 Kunstig nordlys og partikkel baner

26 Birkelands Terrella laboratorium

27

28 Birkeland & Størmer simuleringer og baneberegninger.

29 Birkelands store nordlys og magnetiske ekspedisjoner 3. 3 polare eksp., 1) 1897, 2) , Første Nordlysobs (B. 1901) Haldde & Talvik; 3.5 km mellom stas., 900 moh. 70º λ ~ 67º Λ ) ; 4 Bj stasjoner, ~ 1000 km mellom. - Global dekning? 3. - Electriske part. Og jii NB viktig for Birkeland;, diskutert til og 1970-årene; - Birkeland strøm systemet (Aurora + ΔBE ),

30 Nordlys over Haldde stasjonen. Første aurora fotografi?

31 Birkeland s andre bok NB. Merk det rene norske flagget!

32 I 1901 presenterte Birkeland for første gang det globale to-celle konveksjonen: plasma drift baner - elektriske strøm baner i polar regionen, basert på ΔBE målinger

33 Birkeland med Novaja Zemlja assistenter.

34 Birkelands Hovedavhandling

35 Birkelands klassifikasjon av magnetiske forstyrrelser a) Ekvatorielle forstyrrelser. b) Polar elementary storms. c) Cyclo-median stormer. 4. Birkeland inførte "the auroral electrojet, 5. Beregnet strømmen til 5*105 2*106 A (h > 100 km). 3. Birkeland studerte individuelle stormer ikke statistiske middelverdier. 4. Birkeland's geomagnetic data unsurpassed in quality and coverage until IGY.

36 A typical polar elementary disurbance. The figure shows current arrows and also the vertical pertubation (marked to the left of the current arrow if it is downward and to the right if it is upwards.) Note that the scales for the polar stations arer reduced by a factor 1/5 or ½. (After Birkeland, 1908)

37 Birkeland s original figure of the current system for polar elementary storms. The vertical curents which follow the earth s magnetic field are now called Birkeland currents (cf. The text)

38 Illustrasjon fra hans hoved avhandling

39 Birkeland s Bud fra Solen B. s hovedbudskap a) Solen sender ut elektrisk ladde partikler & b) Elektriske strømmer - jii. Er forbindelseslinjen fra jorden til solen Den Britiske skolen avviste begge teoriene aspects. Partikkel slaget vunnet ~ jii ~ 1967?. B. Foreslo også: Sterke e-m krefter på solen og universet. & Materie 8 p/cm-3 - i interplanetare rommet.

40 Sydney Chapman ( ) Covered a wide range of physics problemes. He and coworkers modeled studied the average characteristics of geomagnetic storms by a different methodologies than Birkeland. Main difference was on interpretation. Chapman influenced by Kelvin, Schuster(1911) & Lindeman (1919) looked for a different source natural plasma motions together with E-fields. (C. paper in 1918 close to B s theory.) Chapman s system of equivalent currents allowed plasma to escape from Sun. Solar energetic particles in Chapman & Ferraro(1931. Vasyliunas (1970: ( Equivalent currents required no jii.) C.-67 The apparently unshakable hold on B.s mind, of his basic but invalid conception of intense electron beams, mingled error inextricably with truth on his presentation on auroras and magnetic storms.

41 Hvorfor ble Birkelands resultater negligert for 50 år? Chapman s leadership ( ) in the study of ΔBj: Vigorously promoted current systems completely within the ionosphere. Equivalent current did not require jii.?? Interplanetary space was VACUUM. The British school vs. The Scandinavian: 5. Average morphology vs event studies; eliminated individual fluctuations. 6. ΔB = A unitary phenomenon (Birkeland; not realized his model fatally flawed?) (Chapman Bartel s, (1940)p ) - The inadequacy of Birkeland s current system; The result favoured my system), discarded j They made a wrong modification - unintentional? of Birkeland s idea and misrepresented his current system. 8. Fukushima: Discovered,1969 than B s & Vestine//Chapman same results. (next Figure)

42 Chapman (C), Birkeland (A). Middel kurve Chapman & Vestin s (1938) representasjon av B.s strøm system. Bunn; korrekt representasjon (Fukushima,1969).

43 Large jii & ja-e to explain ΔBE and auroras, and couplings to interplanetary space. B s current of 106 A required a solar souce. * With only ground obs. impossible to estimate the present of j. Mathematical models & 3-dim currents. jii observed -67 (-70). Why so late? Poor sat. stabilization Often bar magnets. ΔB due to jii ~300 nt; B-tilt ~< 0,5 degree. II Three-axis mes. after 1970.

44 Boundary Layers

45 Birkelands strømmer viktig fot 1. Nordlys stråler, buer,draperier 2. Auroral electrojets 3.Magnetospheric inverted V nedbør 4. Flux ropes (Venus) Solar structures, coronal streamers Cometary tails Interstellar clouds Plasma within galaxies

46 Birkeland strømmer som par eller i flater, forbindder magnetosfæren med ionosfæren.

47 Birkelands strømmer 3) Birkeland inførte jii I verdensroimmet. ΔBE nøye korrelert med nordlys. Må ha en energi kilde 106 A. Strøm kontinuitet og kraft balanse. Par av elektriske strømmer mot og fra jorda knyttet til øst-vest linje- strømmen over jorda. 6) Dessler (1966+ Cummings), Zmuda & Armstrong (1970), Iijima & Potemra (-76) 8) Siden 1970 satellitter har vist at jorda er omgitt av et gigantisk strøm system. 10)Burke (2005) E-m power > 500 TW, jii > 107 A. Ingen stor ΔB. Ikke mulig å få en realist løsning uten målinger ute I rommet.

48 The Universe as a Vacuum Chamber Birkeland simulated the interactions of corpuscular rays with different atmospheres: 2) Sunspot solar magnetic field. 3) Comet tails. 4) Saturns rings up to 5 rings. 5) Zodiacal lights 5) The origen of the solar system. World s leading experimental physicist.

49 Important new discoveries supported by his laboratory simulations. His work carried out at a time when the Earth was surrounded by vacuum. Sun must have a strongly variable magnetic field related to the 11year cycle. Density solar w. ~ 8 cm-3. Most of the mass in the universe is not in the stars, but in empty space. Electromagnetic forces in space just as important as gravity. Sun s corona not homogeneous. Study solar corona under two eclipses.

50 Birkelands simulering av solflekker og solens magnetfelt.

51 Katodestrålene fra Solen vekselvirket med Saturns ringer og kometene.

52 Simuleringen av sodiakal lyset.

53 Birkeland s main contibution to the study of magnetic disturbances, auroras and the Universe: Concepts about plasma from the Sun and jii. 3. First realistic auroral theory (1895) 4. Terrella experiments first artificial aurora in laboratory (1896) 5. Same particles producing aurora also cause geomagnetic pertubation (1901) 6. Classification of geomagnetic disturbances into (1908) 8. Electric currents parallel to the geomagnetic field - Birkeland current introduced (1913) 9. Earth currents induced by magnetic field changes. 10. A quasi-trapped particle ring current (1913) 11. M-region hypothesis (1913) 12. Suggested the existence of a continuous solar wind 13. Suggested the existence of a magnetosphere

54 Konklusjon (1) Birkeland skrev flere steder Jeg undrer. Og hadde en utrolig fin intuisjon demonstret ved. Birkelands lab eksperimenter. Elektromagnetiske krefter i universet er like viktige som gravitasjon mange steder i rommet. Konsekvensen av elektroner 6 ioner (med usw opptil 1080 km/s ) er at verdensrommet er fylt med ionisert gass: e & i er sentrale i Birkelands vitn. avhandlinger. E-m krefter større enn en kunne ane. Birkelands arbeid om sola (B dipolar character) og interplanetare rommet er fasinerende.

55 Konklusjon (2) Birkeland påpekte mange steder hvor viktig elektriske strømmer er i ionosfæren (nordlys electrojetten) og magnetosfæeren. Birkeland forstod & brukte Amperes law & Gauss potential theori. nøkkelen for å forstå nordlyset. ΔBE fra viste en periode for polar stormene på 29 dager(?) Often large ΔBE not accompanied by any R; not the cause of ΔBE. Intensiteten av ΔBE ikke korrelert med solflekkintensiteten. Conclution: Birkeland had a unique intition and a great talent for basic research and technical work.

56 Nordlys-pengeseddelen

57