Kristian Birkeland: Người lý giải hiện tượng cực quang

Kristian Birkeland sinh ra tại Oslo, Na Uy vào năm 1867. Ngay từ lúc còn nhỏ, ông đã đam mê khám phá khoa học, đặc biệt là lĩnh vực điện từ học. Năm 18 tuổi, ông xuất bản bài báo nghiên cứu đầu tiên của mình. Vài năm sau, ông trở thành giảng viên trẻ nhất về khoa học và toán học tại trường đại học duy nhất lúc bấy giờ của Na Uy – Đại học Oslo ngày nay. Nhưng đây chỉ là bước khởi đầu cho câu chuyện hấp dẫn về cuộc đời của ông.

Birkeland bắt đầu chú ý và tìm hiểu về hiện tượng cực quang, những ánh sáng có màu chói lọi chiếu sáng khắp bầu trời tại vùng vĩ độ cao, đặc biệt là ở Bắc Cực và Nam Cực. Các dải sáng liên tục chuyển động và thay đổi. Chúng hầu hết có màu xanh lá cây, đôi khi có thêm màu hồng, đỏ, tím và trắng.

Trong hàng nghìn năm, các nền văn hóa trên khắp thế giới đã xây dựng huyền thoại về cực quang. Một số người bản địa ở Bắc Âu, như người Sámi, coi ánh sáng cực quang là linh hồn của người đã khuất. Tuy nhiên, các nhà khoa học không biết điều gì đã gây ra chúng, và điều kiện khắc nghiệt của vùng Cực đã ngăn cản họ tới quan sát và lý giải bản chất của hiện tượng này.

Năm 1899, Birkeland khởi động chuyến đi đầu tiên trong số nhiều cuộc thám hiểm để nghiên cứu về cực quang. Bất chấp giá lạnh của mùa đông, ông đã dẫn đầu một nhóm nghiên cứu đi xuyên qua vòng Bắc Cực nhằm lập bản đồ cực quang và bão tuyết, cũng như tìm kiếm các mẫu vật. Đây là công việc rất nguy hiểm và vất vả do họ thường xuyên phải đối mặt với thời tiết khắc nghiệt. Hai thành viên trong đoàn thậm chí đã tử vong trong chuyến thám hiểm, nhưng Birkeland vẫn sống sót và trở về nhà với rất nhiều dữ liệu quý giá.

Sau một loạt phân tích, Birkeland đã tìm ra mối liên hệ giữa dòng điện trong khí quyển ở vùng Cực với hiện tượng Bắc Cực quang. Ông đã công bố lý thuyết của mình nhằm tìm kiếm sự công nhận của cộng đồng khoa học quốc tế, đặc biệt là từ tổ chức khoa học uy tín nhất của nước Anh – Hiệp hội Hoàng gia Anh. Đáng tiếc là tổ chức này khi đó đã phản đối kịch liệt lý thuyết của ông.

Sau chuyến thám hiểm đầu tiên, Birkeland bắt đầu lên kế hoạch cho chuyến thám hiểm thứ hai, nhưng gặp khó khăn về mặt tài chính. Chính phủ Na Uy không còn hỗ trợ ông giống như trong chuyến đi đầu tiên nên ông đã phải tự huy động vốn cho cuộc hành trình của mình. Ông quyết định sáng chế ra một thứ mà ông nghĩ rằng có thể giúp ông thu được một khoản tiền lớn, đó là một hệ thống máy móc có thể giúp bật và tắt dòng điện nhanh chóng tại nhà máy thủy điện ở các vịnh hẹp của Na Uy. Thiết kế của ông mặc dù có nhiều cải tiến nhưng nó không mang lại kết quả như mong đợi, thậm chí hệ thống của ông đã phát nổ trong quá trình thử nghiệm.

Không nản lòng, Birkeland sửa đổi thiết bị của mình thành một khẩu súng điện từ, hoặc súng coilgun, trong đó ông đã sử dụng các cuộn dây chạy bằng điện để bắn đạn - một phát kiến mà ông tin rằng có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong chiến tranh. Nó thu hút sự chú ý của nhiều nhà đầu tư đến mức ông có đủ kinh phí cho một chuyến đi khác tới Bắc Cực vào năm 1902.

Chuyến thám hiểm lần này đã giúp Birkeland thu thập đủ dữ liệu để chứng minh sự tồn tại của dòng điện trong khí quyển ở vùng Cực là cầu nối giữa từ quyển và tầng điện ly của Trái đất. Giới khoa học ngày nay gọi nó là dòng điện Birkeland, hoặc dòng điện cực quang (auroral electrojet). Đây là tác nhân gây ra hiện tượng cực quang ở hai cực địa cầu.

Chuyến thám hiểm cũng giúp Birkeland hình thành ý tưởng cho rằng vết đen Mặt trời – các vùng trên bề mặt Mặt trời có nhiệt độ lạnh hơn do dao động trong từ trường của Mặt trời gây ra – kích thích quá trình hình thành cực quang thông qua những cơn bão từ thổi đến Trái đất.

Bão từ về bản chất là các dòng hạt mang năng lượng bay trong không gian. Nếu Trái đất nằm trên đường đi của dòng hạt này, các hạt mang điện sẽ “tấn công” vào bầu khí quyển của Trái đất. Chúng tương tác với các chất khí khác nhau trong khí quyển, tạo nên màu sắc rực rỡ của cực quang. Ví dụ, oxy tạo thành màu xanh lá cây, nitơ tạo thành màu xanh da trời hoặc đỏ. Năm 1908, Birkeland xuất bản lý thuyết của mình trong một cuốn sách có tựa đề “The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903”.

Vào thời điểm đó, dân số toàn cầu bùng nổ nhưng con người không có đủ lượng phân bón phục vụ nhu cầu canh tác nông nghiệp. Birkeland cho rằng ông có thể cải tiến thiết kế súng điện từ để sản xuất axit nitric làm phân bón nhân tạo. Ông đã chia sẻ ý tưởng của mình với một nhà tư bản công nghiệp tên là Sam Eyde và nhận được một khoản tiền đầu tư lớn. Ông nhanh chóng hoàn thiện phương pháp cố định nitơ gọi là quy trình Birkeland – Eyde. Phát minh tuyệt vời này cho phép sản xuất phân bón bằng cách thu hoạch nitơ từ không khí.

Nhưng mối quan hệ hợp tác của họ sớm kết thúc khi Eyde muốn củng cố sự giàu có và danh tiếng của mình. Eyde đã tìm cách loại bỏ Birkeland ra khỏi công ty họ mới thành lập. Birkeland bị suy nhược thần kinh và phải sử dụng đến thuốc an thần.

Khi không còn chỗ đứng trong công ty sản xuất phân bón, Birkeland sử dụng phần lớn thời gian và tiền bạc để quay trở lại nghiên cứu cực quang. Lần này, ông muốn tái tạo hiện tượng cực quang trong phòng thí nghiệm bằng cách chế tạo terrella – một quả cầu từ trường nhỏ đại diện cho Trái đất. Ông đã chiếu các electron vào terrella nhằm mô phỏng cách thức gió Mặt trời gây ra những cơn bão từ. Từ trường của terrella khiến các electron di chuyển về phía hai cực, tại đó electron kích thích các phân tử chất khí cho đến khi chúng phát sáng – tương tự như cơ chế tạo ra hiện tượng cực quang.

Trước thời điểm Birkeland qua đời vào năm 1917, ông vẫn luôn tìm kiếm sự công nhận của cộng đồng khoa học quốc tế cho những khám phá của mình về hiện tượng cực quang. Nhưng đáng tiếc là điều này không xảy ra sau 50 năm nữa.

Năm 1967, một tàu thăm dò không gian của Hải quân Hoa Kỳ cuối cùng đã ghi lại các quan sát về gió Mặt trời và tương tác điện từ giống những gì Birkeland mô tả. Điều này đã xác nhận các lý thuyết mà ông phát triển nhiều năm trước đó. Ngày nay, giới khoa học ghi nhận ông là người mở đường cho lĩnh vực nghiên cứu điện từ trong khí quyển. Người ta đã vẽ khuôn mặt ông trên tờ tiền 200 kroner của Na Uy để tưởng nhớ những đóng góp to lớn của ông cho khoa học.

Theo APS Physics