Birkeland foretok ekspedisjoner nord for polarsirkelen for å studere nordlyset. Han gjenoppdaget at magnetfeltene endrer styrke og retning når nordlyset dukker opp. Dette ble først oppdaget av Anders Celsius og assistenten Olof Hjorter mer enn hundre år tidligere, også ved hjelp av magnetiske feltmålinger. Dette kunne bare bety at kraftige strømmer sirkulerte i atmosfæren over. Birkeland mente at solen på en eller annen måte avgir en katodestråle, slik at korpuskler fra det som i dag er kjent som en solvind, ledes inn i jordens magnetfelt. Dermed opprettes strømmer og skaper nordlys. Dette synet ble avvist av andre forskere, men i 1967 målte en satellitt som beveget seg inn i nordlysregionen sterke elektriske strømmer. Dermed ble eksistensen av strømmene Birkeland hadde forutsett første gang påvist. Disse strømmene ble oppkalt etter Birkeland for å hedre ham og det teoretiske arbeidet han utførte.