Ungdom og utdannelse
Birkelandslekten kommer fra Bakke i Vest-Agder. Kristians foreldre, Ingeborg (1841–1913) og Reinert Birkeland (1838–1899), flyttet til Kristiania, hvor Reinert ble kjøpmann og prøvde seg som både skipsreder og importør av ulike varer fra utlandet.
Olaf Christian Bernhard ble født 13.12.1867 i Kristiania. Etter 1890 droppet han navnet Olaf og skrev Kristian med K, og fra 1898 forkortet han navnet til bare Kr. Birkeland. Fra unge år var Kristian interessert i naturfag. Han lekte og eksperimenterte mye med magneter. Senere i livet skulle studier av jordens magnetfelt bli et av hans viktigste bidrag innen forskningen. Før han var 18 år, oppdaget Kristian noen nye geometriske setninger og forfattet tre avhandlinger i matematikk.
Kristian ble student 11. juli 1885 ved Aars og Voss skole med beste hovedkarakterer. Han begynte studiene ved Det kongelige Fredriks Universitet i Christiania, som det da het, i 1885. Familien hadde kontakt med kjemiprofessoren Peter Waage (1833–1900) og matematikeren dr. Holst (1849–1915). Sannsynligvis påvirket de Kristians valg av studieretning.
Kristian tok eksamen i gruppe I (matematikk, mekanikk og astronomi) og gruppe II (fysikk og kjemi) ved universitetet. I tillegg måtte man ta et fordypningsfag. Hovedgrunnen til at han valgte fysikk, var at han trodde at det ville være enklere å skaffe seg grundigere kunnskaper i matematikk ved selvstudium. Dr. Holst skriver: «Birkeland kjendte ikke til vanskeligheter. De sværeste opgaver gik han paa med den største lethet, trængte gjennem stoffet og lagde resultaterne frem med beundringsværdig klarhet». Etter fem års studier – i 1890 – tok Birkeland matematisk-naturvitenskapelig lærereksamen, som den yngste på kullet. Han fikk laudabilis, dvs. beste karakter.
Stillinger og studier i utlandet
Birkeland ble i 1893 – 25 år gammel – utnevnt til universitetsstipendiat med fast arbeidsplass på Fysisk institutt. Noen år senere skriver han i Jubileumsboken for 25-årsstudenter 1910 om «et rikelige reisestipend fra Universitetet» for å studere elektromagnetisme ved kjente forskningssentra i Europa. 28 år gammel ble Birkeland innvalgt som medlem nr. 219 i det som nå heter Det Norske Videnskaps-Akademi. I Akademiets 150-årige historie er det nesten ingen som er blitt medlem i så ung alder.
Birkeland studerte både i Paris, Genève, Bonn og Leipzig, hvor han samarbeidet med de verdenskjente forskerne Henri Poincaré, Henrich Hertz og Philippe Lenard. Studieoppholdet satte varige spor for hans videre forskning. I perioden 1890–1895 utga han 14 teoretiske avhandlinger innenfor feltet elektromagnetisme. To av disse – publisert i det franske akademis tidsskrift Comptes Rendus, hvor en generell løsning av Maxwells likninger ble diskutert for første gang – fikk stor internasjonal oppmerksomhet.
Høsten 1898 ble Birkeland – i konkurranse med Vilhelm Bjerknes (den verdensberømte meteorologen) – utnevnt til professor i fysikk. I 1906 ble Birkeland Fellow of The Faraday Society i London, og i 1908 ble han Doktor-Ingenieur Honoris Causa ved Den tekniske høyskolen i Dresden. Samme år ble han medlem i verdens mest berømte forskningsorganisasjon, The Royal Society i London.
Naturvitenskapsforskeren
I Birkelands tidligere studier av katodestråler hadde han oppdaget at de kunne styres og fokuseres av magnetiske felt. Dette var grunnmuren i hans postulat om at elektrisk ladede partikler, kalt katodestråler, sendes ut fra solen. De blir styrt inn mot polarområdene av jordens magnetfelt, hvor de eksiterer atmosfæregassene slik at vakkert nordlys oppstår. Høsten 1895 og våren 1996 framsatte og begrunnet Birkeland den nye nordlysteorien i to avhandlinger publisert i tidsskriftet til Det Franske Videnskapsakademi. Disse avhandlingene er starten på den moderne nordlysforskningen. Det geniale i Birkelands nordlysteori var at han gjorde solen til energikilde, selv om mange britiske forskere og endog presidenten i Royal Society konkluderte med at kilden til nordlys måtte finnes i jordens øvre atmosfære eller i jorden selv.
Året etter at han publiserte den første realistiske teorien om hvordan nordlyset oppstår, vakte Birkelands avanserte simuleringer av vekselvirkningen mellom partikkelstrålingen fra solen, jordens magnetfelt og dens øvre atmosfære enda mer oppmerksomhet. For første gang ble kunstig nordlys produsert i laboratoriet som han hadde bygd opp ved universitetet for egne midler. Birkeland hadde en brennende interesse for nye eksperimenter, og i laboratoriet ble hans nordlysteorier nøye studert. Disse simuleringene er detaljert omtalt – verden rundt – i dagens lærebøker i romfysikk.
Det som opptok Birkeland mest på tampen av det 19. århundret, var å underbygge sin nordlysteori med direkte målinger ute i felten. Han bygde verdens første permanente nordlysobservatorium på fjelltoppen Haldde i Alta i 1899 og etablerte tre år senere også egne observatorier i Dyrafjord på Island, Novaja Semlja i Russland, Akseløen på Svalbard og i Kåfjord i Finnmark.
Resultatene av de omfattende nordlysekspedisjonene er godt dokumentert i hans imponerende vitenskapelige hovedverk The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902–1903 (NAPE), på over 850 sider i stort format. Både vitenskapelig og teknisk har verket høy kvalitet. Avhandlingen, hvor sammenhengen mellom aktiviteten på solen, geomagnetiske stormer og nordlys blir detaljert diskutert ved å sammenholde laboratoriesimuleringer med observasjoner i felten, kan leses med stort utbytte også i dag.
Birkeland samlet om seg en gruppe unge, evnerike fysikere og matematikere som han inspirerte og stimulerte. I en kort, men hektisk periode bygde han opp et norsk forskningsmiljø i kosmisk fysikk som vakte oppsikt langt utenfor landets grenser. Det var noe nytt på denne tiden at man underbygget nye teorier med avanserte laboratoriesimuleringer og nøyaktige, kvantitative observasjoner ute i felten.
Birkelands forskningsresultater fikk ikke den oppmerksomhet de fortjente i hans egen tid, delvis på grunn av at de aller fleste av hans avhandlinger ble publisert på fransk, men også fordi de var for avanserte. Den moderne romforskningen som begynte sist i 1950-årene, førte heldigvis, på kort tid, til at Birkelands forskningsbidrag innen nordlys og sol–jord-fysikken fikk en stor og velfortjent renessanse. Verdensomspennende satellittobservasjoner viste at et gigantisk elektrisk strømsystem – som var så sentralt i Birkelands nordlysarbeider – slynger seg rundt jorden. Han beregnet intensiteter på opp mot én million ampere på strømmene som fulgte jordens magnetfelt inn mot nordlysbeltene, mens en annen gren følger magnetfeltet fra nordlyset tilbake til verdensrommet.
Birkelands nordlysteori ble først ordentlig forstått og anerkjent da vi fikk satellittmålinger i verdensrommet, og den fulle betydning av dette ser vi først i dag. Koblingen og energioverføringen mellom solen og jorden gir ikke bare nordlys. Den forårsaker forstyrrelser i vårt nære verdensrom, noe som påvirker elektroniske installasjoner på bakken og i rommet, satellitter, radiokommunikasjon og satellittnavigasjon (GPS). Derfor brukes det i dag store ressurser globalt for å forstå prosessene i sol–jord-koblingen for dermed å kunne varsle dramatiske hendelser i «romværet», det nye store forskningsfeltet. Studier av romværet er vår tids Birkeland-forskning.
På initiativ fra International Council of Science ble navnet Birkeland currents innført i 1968, om lag 60 år etter det ble foreslått første gang. Birkelandstrømmene, som er hovedårsaken til at nordlys oppstår, kartlegges nå regelmessig med satellitter og er i dag en viktig parameter i moderne romforskning.
Oppfinneren
På en internasjonal kongress i England i 1898 snakket den unge Birkeland med fysikkens «Grand Old Man», lord Kelvin, og klaget sin pengenød til ham. Universitetsbudsjettene var altfor små for Birkelands mange prosjekter. Om samtalen har Birkeland fortalt: «Da slo lord Kelvin meg på skulderen og sa: Gjør De som jeg, unge mann. Gjør en opfindelse og tjen en million; så kan De tenke på vitenskapen.» «Ja, den som kunne tjene millioner», la han til med et glimt i øyet som varslet muligheten. Med sin utpregede praktiske sans og uuttømmelige idérikdom var Birkeland godt rustet til å løse kompliserte oppgaver av teknisk art. Hans store ønske var å bygge et velutstyrt laboratorium hvor han sammen med dyktige, unge medarbeidere kunne utføre eksperimenter og teste hypoteser.
Teknologen Birkeland arbeidet med utrolig mange ideer og hypoteser som var langt forut for sin tid. Hans 60 patenter demonstrerer at han syslet med utrolige mye, som f.eks. atomenergi og raketter i verdensrommet. Patentene spenner fra en elektromagnetisk kanon til behandling av organisk avfall, tørking av fisk, fettherding, telegrafi, høreapparater og enda mange flere. Oppfinnelsen som fikk størst betydning, var, om enn ufrivillig, hans første patent, den elektromagnetiske kanonen. Ved en demonstrasjon av kanonen 1903 i Universitetets Gamle Festsal skjedde en intens elektrisk kortslutning som forårsaket en enorm «flammeskive». Denne elektriske flammeskiven ble kort tid etter grunnlaget for syv patenter til fremstilling av nitrogendioksid som ble brukt i gjødselproduksjon, og i senere år til andre typer plasmamaskiner for rensing av radioaktivt materiale.
Industriforskeren og -byggeren
Kunstgjødselproduksjonen ved Norsk Hydro-Elektrisk Kvælstofaktieselskab var basert på professor Kristian Birkelands oppdagelse – flammeskiven/lysbueovnen. Etableringen av Norsk Hydro var dristig, men samtidig et utrolig viktig bidrag til at Norge på relativt kort tid ble forandret fra et fattig bondesamfunn til et moderne velferdssamfunn. De tre herrene – bygningsingeniør Sam Eyde, professor Birkeland og bankdirektør Marcus Wallenberg – var etter bare to år sikre på at Birkelands flammeskive plassert i en nyutviklet ovn ville være i stand til å fremstille tilstrekkelige mengder kalsiumnitrat til å gjøre produksjonen lønnsom takket være den lave prisen på elektrisiteten. Nitrogengassen kom gratis rett fra luften. Målet var å produsere 500 kg salpetersyre per kilowattår. Å produsere ett tonn gjødsel kostet selskapet omkring 30 kroner de første årene, mens prisen for chilesalpeter den gangen ble betalt med over 200 kroner per tonn.
Mineralgjødselen – denne viktige plantenæringen – øker avlingene, forbedrer kvaliteten og reduserer miljøpåvirkningen fra landbruket. I 2004 ble mineralgjødselen ved Hydro skilt ut som et eget selskap kalt Yara International ASA. Yara er i dag til stede over hele verden med mer enn 12 000 ansatte og salg til 150 land. Mer enn 15 millioner bønder bruker produktene fra Yara. Som selskap bidrar de til produksjon av 240 millioner tonn korn årlig. I 2014 hadde selskapet en omsetning på 95 milliarder norske kroner. Den dag i dag fortsetter Birkeland å inspirere til innovasjon og samarbeid i norsk industri. Selv om Birkeland bare arbeidet tre år ved etableringen av Norsk Hydro, er han nok blant folk flest i Norge fortsatt best kjent for sin innsats på dette feltet.
Universitetslæreren
Med sine store kunnskaper og intuitive skaperevne brakte professor Birkeland en gullalder inn i norsk fysikk. Hans undervisning fikk stor oppmerksomhet fordi han utførte mange demonstrasjoner og eksperimenter under forelesningene, noe som var uvanlig på den tiden. Han var i sitt ess hver gang et forsøk resulterte i store elektriske eller akustiske effekter. Det var viktig for ham å trekke fram nye oppdagelser i fysikken og oppdatere lærebøkene.
Etter 1905 hadde han ofte fri fra undervisningen. Meteorologen og fysikeren Olaf Devik har beskrevet Birkelands innsats som universitetslærer på følgende måte: «Birkeland hadde liten tid til forelesninger, men når han en sjelden gang foreleste etter 1906 sto det et friskt vær om ham, hvis han hadde et emne som interesserte ham, hvilket ingenlunde alt gjorde. Da håndterte han auditoriets sparsomme elektriske utstyr langt utover grensen for dets normale yteevne og brente av 100 amperes sikringer med suveren nonchalanse.»
Privatpersonen Birkeland
Birkeland har etterlatt få opplysninger om seg selv og sitt privatliv. De siste leveårene hadde han begynt «at skrive sin egen odyssé», men manuskriptet forsvant sammen med hans øvrige eiendeler. De ble sendt med en båt tilbake fra Japan høsten 1917, men den havarerte.
Det er i vårt samfunn fortsatt mange tydelige spor etter hans forskning. Derfor var det både rett og rimelig at Norges Bank valgte naturforskeren Birkeland som den første fysikeren på en norsk pengeseddel – 200-kronerseddelen – som kom i 1994.
I 1906 skrev han: «Som menneske ser jeg lyst på tingene, jeg begynder at tro at jeg lever med i et eventyr.» Han ble forelsket og giftet seg en mandag – i mai 1905 – med prestedatteren Ida Augusta Hammer. Ved vielsen var ingen andre enn forloverne til stede i kirken. Det ble heller ikke tid til noen bryllupsreise fordi Birkeland var travelt opptatt med gjødselproduksjonen. De fikk ingen barn, og ekteskapet, som i henhold til Devik var lite vellykket, ble formelt oppløst i januar 1911. Oppløsningen av ekteskapet skyldtes nok primært at han prioriterte sin forskning høyere enn familielivet. I et radioforedrag uttalte rektor ved UiO Sem Sæland i 1936: «Jeg har aldrig kjendt noget menneske som har kunnet gaa op i sin videnskab med samme hensynsløse henførelse.»
I de senere årene i livet fikk han nok mer og mer sans for bordets gleder. Han frigjorde seg fra det nøkterne livet han hadde levd i studietiden og som ung kandidat. Men hans enorme arbeidsbelastning gjorde at forskningsaktiviteten avtok i årene etter 1910. Han glemte å spise når han var opptatt med et nytt prosjekt, forteller Devik. Kristian hadde sjelden tid til å være sammen med den nære familien eller dyrke vennskap med sin begrensede omgangskrets.
Gjennom mye av hans voksne liv var Birkelands helse et stort problem. Han hadde vanskelig for å koble av og sove. Før han var 30 år, ble hørselen svekket, og de siste årene av sitt liv var han utpreget tunghørt. Han trodde selv at helsen og hørselen ble ødelagt da han i 1890-årene drev mye med eksperimenter i de kalde og fuktige kjellerlokalene i Domus Bibliotheca. Hans svake helse satte ham ut av spill i kortere og lengre perioder senere i livet, men han tok lite hensyn til sin kropp og arbeidet 16 timer daglig i lange perioder. Han drev aldri noen form for fysisk aktivitet. Stress og hardt arbeid var det mye av gjennom hele livet. Hans motoriske ferdigheter ble etter hvert dårlige, og han ble tidlig ustø til bens, noe han forsøkte å skjule.
I sine siste to leveår var Birkeland mye syk. Han døde på et hotell i Tokyo 16. juni 1917, dypt deprimert. Formelt var dødsårsaken hjertesvikt, ikke selvmord, slik det har blitt antydet flere steder.