日地关系是空间等离子体物理研究中的一个重要方面,太阳风驱动行星际磁场以及行星际的等离子体与地球偶极磁场的相互作用产生了我们所观测到的磁层。携带着行星际磁场的太阳风被地球磁层所减速产生了弓激波以及磁鞘区。事实上,太阳风及其所携带的行星际磁场也是地球磁层细致结构以及磁层各种物理现象的直接或间接原因。因此,对太阳风的研究,对其与弓激波的相互作用的研究,对其与磁层顶的相互作用的研究,这些都可以帮助我们更好的理解太阳风与地球磁层的耦合过程,进而推动空间天气预测的发展,使人类可以更好的进行日常生活和生产。前人大量的观测研究表明：太阳风中存在的大量的间断面。这些间断面会在太阳风的驱动下穿越弓激波并与地球磁层顶发生相互作用。这一过程必然会导致这些间断面产生结构上的演化。对于某些具有特定结构的间断面,磁鞘磁场重联是这一演化过程的必然结果,并且已经被计算机数值模拟和空间卫星观测所证实。不同于磁层顶的磁场重联,磁鞘重联仅仅会导致行星际磁场的结构位形发生变化以及磁鞘区的等离子加热以及加速。这一过程提供了另一种空间磁场和等离子体的对流模式,也将会影响磁鞘与磁层之间的相互作用,进而一定程度上改变磁鞘和磁层之间的耦合模式。如前所述,磁层顶的磁场重联牵涉到磁鞘和磁层的磁场以及等离子体,长久以来,这一过程被认为是太阳风与磁层耦合最重要的模式。特别的,在长期南向行星际磁场的条件下,向阳面磁层顶在重联过程的作用下被不断的“侵蚀”,导致磁层顶的闭合磁通量变成开放磁通量,进而被太阳风不断地携带到尾部。这些磁通量在尾部不断地堆积,造成磁尾电流片的变薄。当这一过程达到某一阈值,近尾重联产生,进而诱发磁层亚暴。磁层亚暴是一种剧烈的磁层对流,也是空间等离子体研究重要的基本课题之一。磁层顶重联的另一个重要的结果造成通量管传输事件。这些通量管在磁场重联产生的高速等离子体流以及磁鞘区等离子体流的作用下,向极区移动,进而实现磁鞘于磁层之间的物质、动量和能量的交换；同时通量管通过其本身的电流系以及阿尔芬波向地球的电离层传输信息,造成极区地磁扰动,极光现象以及电离层局部涡流等现象,这一过程被认为是磁层—电离层耦合的重要方面。太阳风也控制着大尺度的地球对流电场的变化。这一对流电场的变化,会导致内磁层等离子体对流模式的改变,进而会造成内磁层的各边界层的结构和位置的变化,也会导致内磁层各区域之间的物质、动量和能量交换。这一交换过程,会为内磁层的某些区域带来“自由能量”,从而导致各种丰富的等离子体波动现象。这些波动现象将沿着磁力线将物质和能量向地球电离层乃至中高层大气传输,换句话说,实现了磁层—电离层／中高层大气的耦合。本文利用ACE卫星,ClusterⅡ卫星,IMAGE地磁台站和CUTLASS高频相干雷达的观测结果以及计算机数值模拟等手段,数据分析,理论分析和数值模拟,研究了上述这些情况下太阳风与磁鞘、磁层、电离层的多层次耦合过程。本论文的主要研究结果如下：1,通过计算机数值模拟,我们研究的不同初始位形的间断面与弓激波进而地球磁层的相互作用的过程,探讨了初始位形对这些间断面在磁鞘区可能发生的重联过程的影响。◆在间断面穿越弓激波进入磁鞘时,它经历了两步压缩过程：激波压缩和对流压缩。激波对间断面得压缩正比于弓激波的压缩率,而对流压缩在某些情况下(较宽的间断面),起到主导作用。磁鞘重联将在被压缩后变窄的间断面中发生。◆对于较窄的间断面,仅依靠激波压缩就可以将间断面压缩到足够的宽度,使得磁鞘重联可以发生。这时磁鞘重联将呈现出三维补缀模式。在间断面的切向分量由北向南旋转的情况下,仅仅发生磁鞘重联：而在间断面的切向分量由南向北旋转的情况下,磁鞘重联将和磁层顶重联同时发生,并且两者会相互竞争。◆对于较宽的间断面,由北向南旋转的间断面将在磁层顶的鼻端(nose)产生一个单一的X线,并且一些较弱的重联区将在偏离赤道面的情况下产生；而由南向北旋转的间断面,由于磁层顶的重联速率较快,有效地消耗了南向磁场分量,使得磁鞘重联无法发生。◆三维补缀重联将会产生磁鞘通量绳,这些通量绳的尺度与磁层顶的通量绳的尺度相仿。特别的,在由南到北的情况下,这些通量管将和磁层顶的北向磁场分量发生“二次重联”,从而产生新的扭曲的闭合磁力线。这样的过程“捕捉”了磁鞘区的等离子体,可以实现磁鞘和磁层区物质与能量的交换。2,磁层顶的通量管传输事件是实现磁层-电离层耦合的重要方式之一,通过Cluster卫星,IMAGE地磁台站以及芬兰的CUTLASS高频相干雷达的联合观测,我们对2003年4月15日的事件进行了分析,主要结果如下：◆在位于磁层顶附近的Cluster 1卫星观测到两个通量管传输事件的同时,位于高纬极区的雷达观测到了电离层对流的增强；通过雷达的反射谱图观测到了4次“极向移动极光”(PMAFs),同时,地磁观测也发现了4次扰动,两者具有一一对应关系。◆两个通量管事件传输事件,与前两次的PMAFs和地磁扰动对应的很好。◆利用Cooling模型,我们分析得出对于后两次的PMAFs和地磁扰动,卫星观测中没有对应的磁通量管传输事件的可能原因之一为：不稳定的太阳风和行星际磁场条件导致了后两次的通量管较难于被卫星所观测到。3,等离子体层等离子体的运动模式,受到共转电场和对流电场的控制。当对流电场发生变化时,等离子体层可以抛离出一个尾巴——‘’Plume",这些冷等离子体与环电流中的热等离子体相互作用产生电磁离子回旋波(EMIC),这一过程从未被观测直接证实过,我们利用Cluster卫星对2005年7月18日的事件进行了分析：◆电磁离子回旋波在卫星经过等离子体层Plume时被发现。◆这些波动的频率接近当地的O+离子的回旋频率,极化特征显示出很强的线性极化特征。这些特征说明了O+离子的存在使得离子回旋波分为三支,较高频的两支和右旋波模耦合,这一过程,导致了我们观测到线性极化的波动而不是左旋极化的波动。