Jonosfären

Hur solens strålning skapar ett joniserat skikt högt över oss, vilka skikt som finns (D, E, F1 och F2), varför en radiovåg vänder vid plasmafrekvensen och hur en jonosond mäter jonosfären.

Fördjupning12 min läsningGranskad 24 oktober 2026

Innehåll

Hur jonosfären bildas
Skikten
Plasmafrekvens och reflektion
Dygn, årstid och solcykel
Jonosond och ionogram
Kontrollfrågor

Hög upp i atmosfären, från ungefär 50 km och uppåt, har solens strålning slitit loss elektroner från gasmolekylerna. Resultatet är jonosfären, ett svagt joniserat skikt av fria elektroner och joner som böjer och reflekterar radiovågor. Det är jonosfären som gör att en kortvågssändare i Sverige kan höras på andra sidan jorden, och att mellanvågsstationer hörs längre på natten än på dagen. Den här artikeln förklarar hur skikten bildas, varför en radiovåg vänder, hur jonosfären förändras med tiden och hur man mäter den. Hur det utnyttjas för förbindelser behandlas i kortvågsutbredning.

I korthet

Solens ultravioletta strålning och röntgenstrålning joniserar den tunna övre atmosfären. Jonosfärens skikt kallas, nedifrån och upp, D, E, F1 och F2: D ca 50–90 km, E ca 90–140 km, F1 ca 140–210 km och F2 över ca 210 km.
En radiovåg reflekteras där frekvensen är lika med plasmafrekvensen, $f_{p} \approx 9 \sqrt{N}$ Hz ( $N$ är elektrontätheten per kubikmeter). Den högsta frekvens som reflekteras rakt upp kallas kritisk frekvens, för F2-skiktet foF2.
D-skiktet absorberar mest (främst låga frekvenser) och försvinner på natten. F2-skiktet består dygnet runt och är det viktigaste reflekterande skiktet för kortvåg.
Jonosfären varierar med dygn, årstid och framför allt solcykel. Under solfläcksmaximum är foF2 högre och högre frekvenser kan användas.
En jonosond mäter ekotiden för pulser på olika frekvenser och ritar ett ionogram. Eftersom vågorna går långsammare i plasma ser den virtuella höjden större ut än den verkliga.

Hur jonosfären bildas#

Atmosfären tunnas ut uppåt. Där solens strålning slår på har en foton av kort våglängd (extrem ultraviolett strålning, röntgenstrålning) tillräckligt med energi för att slita loss en elektron från en gasatom eller molekyl. Kvar blir en positiv jon och en fri elektron. Elektronerna och jonerna kan också återförenas, rekombinera. Elektrontätheten är balansen mellan jonbildning och rekombination.

Skikt uppstår av två skäl. Dels absorberas strålningen på vägen ned: den tränger in tills luften blir så tät att den tas upp. Högt upp finns det mycket strålning men få atomer, långt ned många atomer men lite strålning kvar, och joniseringen blir störst däremellan. Dels har olika delar av solens spektrum olika förmåga att tränga in och joniserar olika gaser. Röntgenstrålning och UV med särskild våglängd når ned till D-området, mer energirik UV stannar i E- och F-området.

Skikten#

Jonosfären delas in efter höjd. Gränserna är inte skarpa och varierar med tid och plats, och tabell 1 anger därför intervall¹.

Tabell 1. Jonosfärens skikt. Höjderna är för dagtid. Elektrontätheter och kritiska frekvenser är typiska storleksordningar för medelbreddgrader och måttlig solaktivitet, inte exakta värden.

Skikt	Höjd (km)	Elektrontäthet dag (m⁻³)	Kritisk frekvens	Kommentar
D	50–90	ca 10⁸–10¹⁰	–	Absorberar MF och HF. Försvinner efter solnedgång.
E	90–140	ca 1–2·10¹¹	foE ca 3–4 MHz	Försvagas kraftigt på natten (foE då ofta under 1 MHz).
F1	140–210	ca 2–3·10¹¹	foF1 ca 4–5 MHz	Syns som en hylla under F2 på sommardagar.
F2	över 210 (maximum ca 250–400)	ca 5·10¹¹–2·10¹²	foF2 ca 5–13 MHz	Viktigast för kortvåg. Finns kvar på natten, då foF2 ofta är 3–6 MHz.

Figur 1 visar hur elektrontätheten fördelar sig på höjd, dag och natt. Skikten skiljer sig också i hur snabbt elektronerna försvinner. Där luften är tät rekombinerar de fort: i E-skiktet är livslängden bara tiotals sekunder, i F1 ca en minut och i F2 ca 20 minuter. Därför försvinner D-, E- och F1-skikten i stort sett efter solnedgången, medan F2-skiktet består och på natten helt enkelt kallas F-skiktet.

Figur 1. Typisk elektrontäthet mot höjd, dag och natt (modellkurvor, summa av Chapman-skikt). Övre skalan visar motsvarande plasmafrekvens. På natten försvinner D-skiktet och F1, E-skiktet blir svagt, och F-skiktets maximum blir lägre och ligger högre.

D-skiktet reflekterar nästan inte högre frekvenser utan absorberar dem. Elektroner som sätts i svängning av vågen kolliderar med neutrala molekyler och omvandlar vågens energi till värme. Kollisionerna är många där luften är tät, och absorptionen avtar ungefär som $1 / f^{2}$ . Därför dämpas mellanvåg kraftigt på dagen, medan 14 MHz går igenom med måttlig förlust (se markvåg för mellanvåg på dag och natt).

Plasmafrekvens och reflektion#

En radiovåg som kommer in i ett plasma sätter de fria elektronerna i svängning. Elektronerna svarar tillbaka med ett eget fält som motverkar vågens, och det ger plasmat ett brytningsindex som är lägre än 1. Utan hänsyn till jordmagnetfältet och kollisioner är

n = \sqrt{1 - \frac{f_{p}^{2}}{f^{2}}}, f_{p} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{N e^{2}}{ε_{0} m_{e}}} \approx 8,98 \sqrt{N} H z

där $N$ är elektrontätheten i m⁻³ och $f_{p}$ plasmafrekvensen. Är $f > f_{p}$ går vågen igenom, men med lägre brytningsindex ju närmare $f_{p}$ den kommer (figur 2). När $f$ sjunker till $f_{p}$ blir $n = 0$ , vågen kan inte gå längre och reflekteras. Vid ännu lägre frekvens kan den inte alls tränga in.

Eftersom elektrontätheten ökar med höjden upp till skiktets maximum reflekteras en våg som sänds rakt uppåt på den höjd där $f_{p} = f$ . Skiktets maximum ger den högsta frekvens som reflekteras vid lodrät infall, den kritiska frekvensen:

f_{c} = 8,98 \sqrt{N_{max}} \approx 9 \sqrt{N_{max}} H z

Vågor över $f_{c}$ går rakt igenom skiktet vid lodrät infall. Vid snett infall kan högre frekvenser reflekteras, vilket behandlas med sekantlagen i kortvågsutbredning.

Figur 2. Brytningsindex n och gruppindex 1/n i ett plasma. Fasen går snabbare än ljuset (n < 1), men signalens energi går långsammare (gruppindex större än 1), och minst nära reflektionspunkten. Det är därför ett eko ser ut att komma från högre upp än den verkliga reflektionshöjden.

Dygn, årstid och solcykel#

Dygn. När solen går ned slutar jonbildningen och D-, E- och F1-skikten försvinner. F2 tunnas ut men finns kvar, eftersom rekombinationen där är långsam. Jonosfären högt upp är solbelyst längre än marken: ett skikt på 300 km höjd får solljus tills solens zenitvinkel, mätt från marken, är ca 107° (marken ligger i skugga redan vid 90°), så F-skiktet börjar tunnas ut först en bit efter solnedgången.

Figur 3 visar E-skiktets kritiska frekvens över dygnet i Stockholm, beräknad med Chapman-teorin ovan ( $f_{o E} \propto (\cos χ)^{1 / 4}$ , där $\cos χ = \sin φ \sin δ + \cos φ \cos δ \cos (15^{\circ} \cdot (t - 12))$ för latitud $φ$ , solens deklination $δ$ och soltid $t$ i timmar). Mitt på dagen blir foE ca 3,4 MHz vid sommarsolståndet, 3,0 MHz vid dagjämning och 2,1 MHz vid vintersolståndet. På vintern är dagen kort och solen står lågt.

Figur 3. E-skiktets kritiska frekvens över dygnet i Stockholm (59,3° N) för tre tidpunkter på året. Beräknat med foE ∝ (cos χ)^(1/4) och 3,6 MHz vid solen i zenit. Natten är satt till en antagen restnivå på 0,5 MHz.

Årstid. E- och F1-skikten följer solen: högst på sommaren. F2 gör det inte. Vid måttliga breddgrader är foF2 högst nära dagjämningarna, och vid solfläcksmaximum är vintervärdena ofta högre än sommarvärdena (den säsongsanomalin)¹. D-skiktets absorption är normalt störst på sommaren men kan i perioder också vara onormalt hög på vintern.

Solcykel. Solens strålning varierar över solfläckscykeln på ca 11 år, och F2-skiktets elektrontäthet följer med. Vid maximum är foF2 klart högre än vid minimum, och högre frekvenser (till exempel 10 m-bandet) kan användas. Solcykel 25 hade sitt maximum i oktober 2024, då det utjämnade solfläckstalet var ca 161². Sedan dess har aktiviteten sjunkit: utjämnat solfläckstal ca 94,5 i mars 2026, med prognosen ca 70 för december 2026 (BoM Space Weather Services). Solflödet på 10,7 cm var 100,9 den 23 oktober 2026, med ett 81-dagarsmedel på 112,3 (solen.info). Kopplingen till rymdväder och solutbrott behandlas i solaktivitet, rymdväder och radio.

Jonosond och ionogram#

Ett direkt sätt att mäta jonosfären är att "lysa" uppåt: en jonosond (eng. ionosonde) sänder korta pulser rakt upp och lyssnar efter ekot, medan frekvensen svepas över ungefär 1–20 MHz eller mer. Pulsen reflekteras där $f = f_{p}$ . Från ekotiden $t$ beräknas den virtuella höjden

h^{'} = \frac{c t}{2}

Den är större än den verkliga höjden, eftersom pulsen går långsammare än $c$ i plasmat (gruppindex $1 / n > 1$ , figur 2). Resultatet ritas som ett ionogram: frekvens på x-axeln, virtuell höjd på y-axeln, en prick för varje eko (figur 4).

Figur 4. Förenklat dagsionogram (O-vågen) beräknat för tre parabolskikt: E (foE 3,0 MHz), F1 (4,5 MHz) och F2 (9,0 MHz). Spåren böjer upp mot oändlig virtuell höjd vid varje skikts kritiska frekvens. Spåren för F1 och F2 ligger högre än skiktens verkliga höjd eftersom pulsen passerar lägre skikt.

Ionogrammet ger mer än bara höjden. Där ett spår böjer av mot oändlig höjd ligger den kritiska frekvensen. På så vis läser man av foE, foF1 och foF2 direkt, och med en matematisk omräkning (sant-höjdsanalys) går det att få fram elektrontäthet som funktion av höjd upp till F2-skiktets maximum. Det som ligger ovanför maximum syns inte från marken, eftersom pulserna med högre frekvens går rakt igenom. Där används satelliter och GNSS-mätningar i stället. Riktiga ionogram visar dessutom sporadiskt E, spridd-F och kraftiga störningar, som den här förenklade bilden saknar.

Kartor över foF2 och foE, byggda på långa mätserier, ingår i prediktionsmetoder som ITU-R P.533-14³ för att räkna ut vilka frekvenser som fungerar på en given förbindelse. Läs vidare om hur det används i kortvågsutbredning.

Kontrollfrågor#

Vilken kritisk frekvens har ett skikt med elektrontätheten

4 \cdot 10^{11} m^{- 3}

$f_{c} = 8,98 \sqrt{4 \cdot 10^{11}} = 8,98 \cdot 6,32 \cdot 10^{5} H z \approx 5,7$ MHz.

Varför försvinner D-skiktet på natten men inte F2-skiktet?

Joniseringen upphör vid solnedgången. I D-skiktet är luften tät och elektronerna rekombinerar på sekunder, medan F2-skiktet ligger högt upp där gasen är tunn och livslängden är ca 20 minuter, så skiktet består över natten.

Vad händer med en 10 MHz-signal som sänds lodrätt uppåt när foF2 är 7 MHz?

Frekvensen är högre än den kritiska frekvensen, så signalen reflekteras inte utan går rakt igenom F2-skiktet och ut i rymden.

Varför är den virtuella höjden i ett ionogram större än den verkliga?

Pulsens energi färdas med gruppfarten, som är lägre än ljusets hastighet i plasmat (gruppindex $1 / n > 1$ ). Ekotiden blir längre än om vågen hade gått med $c$ , och höjden beräknad som $c t / 2$ blir för stor.

Ett eko kommer 2 ms efter pulsen. Vilken virtuell höjd är det?

$h^{'} = c t / 2 = 3 \cdot 10^{8} \cdot 2 \cdot 10^{- 3} / 2 = 3 \cdot 10^{5}$ m $= 300$ km.

Varför är foE lägre mitt på dagen vid vintersolståndet än vid sommarsolståndet?

Solen står lägre, så zenitvinkeln $χ$ är större och $\cos χ$ mindre. Eftersom foE varierar som $(\cos χ)^{1 / 4}$ blir den lägre: i Stockholm ca 2,1 MHz mot ca 3,4 MHz.

Varför dämpas mellanvåg mer på dagen än på natten?

D-skiktet finns bara på dagen, och dess elektroner kolliderar ofta med luftmolekyler och tar upp vågens energi. Absorptionen avtar ungefär som $1 / f^{2}$ och är därför stor vid låga frekvenser som 1 MHz.

Bureau of Meteorology, Space Weather Services, ”Introduction to HF Radio Propagation – 1. The Ionosphere” (kontrollerad 2026-10-24): D 50–90 km, E 90–140 km, F1 140–210 km, F2 över 210 km; elektronernas livslängd i E, F1 och F2 ca 20 s, 1 min respektive 20 min; foF2 högst nära dagjämningarna. Elektrontätheter och kritiska frekvenser i tabell 1 är typiska storleksordningar och är inte hämtade ur den källan. ↩↩
SIDC (Kungliga observatoriet i Belgien): solcykel 25 nådde maximum i oktober 2024, utjämnat solfläckstal ca 161. Kontrollerad 2026-10-24. ↩
Recommendation ITU-R P.533-14, ”Method for the prediction of the performance of HF circuits” (08/2019). Gällande utgåva kontrollerad på itu.int 2026-10-24. ↩

Kunskapsbanken är en sammanställning för utbildning och referens. Den ersätter inte gällande föreskrifter och ger ingen rätt att sända. Kontrollera alltid aktuella villkor hos PTS.