Birkeland mente det var en sammenheng mellom nordlyset og aktivitet på solens overflate. Så tidlig som i 1896 hadde han begrunnet sin hovedteori; at elektrisk ladede partikler beveger seg med stor fart fra flekker på soloverflaten, fanges inn av jordens magnetfelt og styres ned mot polområdene. Når partiklene bremses i luften, antennes gassene i atmosfæren slik at de lyser opp.

Denne teorien underbygde han med praktiske forsøk i laboratoriet på Universitetet i Kristiania, og han foretok svært krevende ekspedisjoner og studier i nordområdene.

De grunnleggende undersøkelsene ble presentert for offentligheten gjennom to store verk; «The Norwegian Aurora Polaris Expedition». Første del ble ferdig i 1908, andre del i 1913.

Fra arktiske til tropiske strøk

Zodiakallyset er et svakt lysskjær som skyldes at sollyset blir reflektert fra små støvpartikler i ekvatorområdet. I Afrika ses dette lyset tydelig mot en mørk natthimmel. Allerede i 1910 hadde Birkeland hatt et opphold i Sudan og Egypt for å studere dette fenomenet.

Birkeland var opptatt av å skaffe seg bedre kunnskap om dette fenomenet, og kjøpte derfor en eiendom i Helouan, sør for Kairo. Fra 1914 bosatte han seg her. Arbeidene hans med zodiakallyset vekker oppsikt, ettersom han kommer til at jordens magnetfelt er viktig for både banen og fordelingen av partikkelskyen fra solen og dermed også for zodiakallyset.

Første verdenskrig kom etter hvert til å skape problemer; medarbeidere ble kalt inn til krigstjeneste, og kontakten med norske kolleger ble etter hvert brutt. Birkeland hadde også tiltagende fysiske og mentale plager. Hørselen var alvorlig svekket, mest sannsynlig på grunn av kjemiske eksperimenter, og han ble hjemsøkt av tvangstanker. Blant annet mente han seg forfulgt av engelskmenn som var ute etter hans elektriske kanon. Situasjonen ble noe bedre da han i 1916 flyttet inn på et pensjonat.

Den siste, lange reisen

Året etter begynte Birkeland å planlegge hjemreise til Norge hvor han ville feire sin 50-årsdag i desember. En reise gjennom et krigsherjet Europa virket vanskelig, men da den danske konsulen i Kairo tilbød seg å reise sammen med ham via Asia, var Birkeland ikke vanskelig å be

Da de kom til Tokyo i Japan, bestemmer Birkeland seg for å bli her en stund. Han ønsker å arbeide sammen med kolleger ved Universitetet i Tokyo.

Under oppholdet her er det åpenbart at hans psykiske problemer tiltar. Morgenen den 15. juni blir han funnet i sin seng på hotellet. På nattbordet ble funnet en pose veronal og en revolver.

I Norge var på denne tiden forberedelsene godt i gang til en fest for å feire Birkelands 50-årsdag. Det var også – nok en gang – tatt et initiativ for å sikre han en nobelpris i fysikk. Dette arbeidet ble innstilt, da meldingen om hans død nådde Norge.

I Tokyo holdt professor Nagaokas tale ved bisettelsen. Han sa blant annet: «Hans geniale ånd åpenbarte seg i hans forklaring av solflekkene og i utnyttelsen av luftens kvælstoff. Det århundrer gamle problem ble til sist løst til praktisk brukbarhet ved hjelp av den elektriske lysbue. For alle elektroteknikere er Notodden vel kjent som et av de største elektriske verk, hvor man ved kjempemessige dynamomaskiner, drevet med vannkraft, frembringer tre meter lange lynliknende buer til fabrikasjon av kunstig salpeter. Men langt utover denne høyst verdifulle og vidunderlige oppfinnelse kommer hans navn til å leve lenge i fremtiden på grunn av hans undersøkelser av polarlysets natur».

Først etter krigens slutt ble Birkelands aske ført hjem til Norge og gravlagt. På Universitetet i Kristiania ble holdt en sørgehøytid 22. september 1919.

På Kristian Birkelands gravsted står skrevet:
«Han bandt luftens kvælstoff i den elektromagnetiske lysbue. Han utforsket nordlysets natur, solens elektriske stråling og jordens magnetiske felt».

En statue av professor Birkeland står i dag utenfor Hydro-museet på Notodden, ved en av de første fabrikkbygningene som ble reist i 1904. Det er også en byste av Birkeland ved Hydros forskningssenter i Porsgrunn.