对于科学家来说,地球磁层是一个令人着迷的天然的实验室,可以用来探索高能带电粒子的动力学过程。随着航天器和人类空间活动的增加,针对磁层高能粒子分布及动力学过程的研究越来越多。例如,SAMPEX, Polar (CEPPAD), GPS (BDD-II), CRRES (MEA), LANL (EPS), GOES, Cluster和HEO这些卫星上的设备对内磁层高能粒子的探测,使内磁层高能粒子的分布研究进入到了一个崭新的阶段。基于这些卫星的观测数据,各种内磁层高能粒子时空演变的现象得以揭示,推动着深入理解地球辐射带高能粒子动力学过程的理论研究。太阳活动高发年将至,人类对深空的探测将会非常的频繁,新的探测项目将会实施,去进一步探究磁层辐射带的动态变化。例如,美国的RBSP项目,加拿大的ORBITALS项目,日本的ERG项目,其目的是研究辐射带带电粒子的动态变化,涉及到粒子的输运,加速和损失过程。本文的意义在于,研究结果有助于深入理解地球辐射带能量电子各种加速和损失机制,同时对运行该区域的低轨、中轨及高轨航天器的防护研究有重大的现实意义。有助于解释磁层中观测到的各种物理现象,了解辐射带高能电子的动态分布,进一步建立全球的辐射带电子的动态分布模型,为国防和人们的生活的服务。基于此,本文从理论和实验数据分析两个方面对辐射带高能电子分布,以及电子与磁层等离子体波的共振相互作用进行了研究。本文研究的主要成果如下：1.使用CRRES的数据对辐射带电子进行了统计分析,得到了辐射带电子的通量分布和投掷角分布。(1)基于大约15个月的CRRES卫星MEA能量电子观测数据,分别在地磁活动平静(0≤Kp<3)、中等(3≤Kp≤6)及强烈(6<Kp≤9)的条件下,选取电子能量为148 keV,509 keV,1090 keV 1581 keV的辐射带能量电子通量进行统计分析,得到了不同地磁活动条件下地球辐射带高能电子通量在(L,MLT)空间的全球分布模型。结果表明,在2<L<8的磁层区域,高能电子通量分布在不同的地磁活动指数Kp条件下差别明显；在1200-1800MLT时段内高能电子的通量明显增大。强的磁暴可以在辐射带中产生新的高能电子辐射带,并且持续很长的时间,这是磁暴期间高能电子注入的结果。(2)我们对电子的投掷角分布进行了详细的统计分析,考察了电子投掷角分布和电子能量、磁地方时(MLT)和地磁活动水平之间的关系。对观测到的投掷角分布和局地投掷角的正弦值(sinα)进行线性拟合,得到电子的投掷角分布的权重因子n。量化分析了与辐射带电子的投掷角的分布相关n与电子的能量、MLT和地磁活动指数Kp之间的关系。统计得到的平均n值随MLT变化明显,在00-04MLT之间的n～0,而在12-16MLT之间n～1.5,这是由于波的散射和与漂移壳分离以及磁层顶阴影相关效应都与MLT有关。漂移壳分离以及磁层顶阴影可以导致观测到的n值为负。几百keV的较低能量的电子的投掷角分布比MeV的电子平旦的多,这和低能的电子受到磁层合声波的快速的投掷角散射有关。2.基于回旋共振波粒共振的条件和完整的色散方程,采用Dungey磁场模型和Sheeley背景电子密度模型,建立了磁层等离子体波与辐射带电子的共振相互作用的理论模型。分析了能与磁层等离子体波发生共振的电子的最低共振能量和电子与哨声模式的合声(Chorus)、等离子体嘶声(Hiss)和电磁离子回旋波(EMIC)的回旋共振的在(αeq,λ)和(L,λ)上的共振区域(1)高纬度地区的电子的最低共振能量明显大于中低纬度的电子的最低共振能量。等离子体的嘶声和哨声模式的合声能够在中低地区与辐射带高能电子发生共振相互作用,他们是辐射带高能电子分布的主要影响因素。电磁离子回旋波主要与>-MeV的辐射带电子发生相互作用,是影响这些高能电子的分布的主要因素。相同位置的高谐数的共振的电子的最低共振能量远大于Landau共振的。在高能电子与合声和嘶声的共振相互作用中,Landau共振主要发生在高纬度地区。(2)太阳活动对电子的最低共振能量影响主要是在等离子体层顶外部的区域,这个区域里的地球磁场的位形和大小在太阳活动强烈时发生了明的变化。冷等离子体参量随之发生的明显的变化,最低共振能量因此发生了变化。(3)电子与磁层等离子体波的共振区域取决于波的频率带宽和波角、电子的投掷角和能量,共振的谐数、以及空间位置L和λ。高谐共振主要发生于中低纬度区域,Landau共振一般发生于高纬度地区的磁镜点附近。(4)共振区域明显受到太阳活动的影响,L-shell越高,受到的影响越大。D值对外辐射带的电子与磁层等离子体波共振的共振区域影响较大,但是在内辐射带的区域,基本不对共振区产生影响。3.基于波粒共振相互作用的准线性理论,对投掷角散射系数,混合散射系数和能量散射系数进行了分析。并且对这些系数做弹跳平均,得到弹跳平均散射系数。共振散射系数取决于共振方程和色散方程,和共振区域一样与波的频率带宽和波角、电子的投掷角和能量,共振的谐数、以及空间位置有关。合声与电子的共振散射系数的结果显示,100keV的低能量的电子能够被快速散射进入损失锥,然后和低层大气发生碰撞损失掉。对于1MeV的电子投掷角散射系数减小,但是不能扩展到损失锥,这是因为较高能量,具有较小投掷角的电子在外辐射带不能与合声发生共振。太阳活动水平会对高L-shell的共振散射系数产生影响。较低能量,小投掷角的电子在太阳活动平静时能被合声波有效散射,而在较高太阳活动水平下,这样的事情却不发生。4.基于Stomer[1955]关于带电粒子在地球磁场中运动的理论模型,分析得出高能电子在地球周围的运动区域。结合高空核爆形成放射性烟云的经验模型,推断高空核爆在地球周围形成人工辐射带的基本区域。进而,利用高空核爆裂变特性和辐射带中高能粒子的分布特性,计算得到高空核爆形成人工辐射带的电子密度通量,并对高空核爆激发的人工辐射带特征与核爆炸爆点纬度、高度及当量之间的关系作了初步的定量分析。数值模拟结果表明,在一定的条件下,O.1-1MtTNT当量的高空核爆,可预计在地球周围形成电子通量密度比自然辐射带高3-4个量级的人工辐射带。生成的人工辐射带中心位置主要受核爆爆点地磁纬度的影响,核爆的爆高和核爆的当量则对人工辐射带的厚度及其中高能电子的通量密度有一定的影响。5.基于回旋共振波粒相互作用的准线性理论,使用地基高频发射器发射电波调制低电离层背景电流可以人工激励ELF/VLF波,这些波能使辐射带相对论电子发生投掷角散射沉降进入大气层从而降低其生存期。为了定量地分析人工激励ELF/VLF波散射辐射带高能粒子的可行性,针对内、外辐射带,本文选取了两个典型区域：L=4.6和L=1.5。数值计算结果表明,在内、外辐射带由于ELF/VLF波的人工注入而造成的高能电子损失时间尺度很大程度上取决于冷等离子体参量a*(∝B2/N0,这里B是背景磁场,N0是电子数密度)、电波频谱特性和功率,以及与波发生回旋共振的电子能量。一般来讲,在外辐射带人工ELF/VLF哨声波散射相对论电子使之沉降到大气层要容易得多；低能量的高能电子(≤200keV)要比高能量的相对论电子(≥500 keV)更有效地通过投掷角散射进入大气层。考虑到高频电波加热电离层激励的ELF/VLF波可能会被捕获在磁层空腔中,来回反射从而得到增强,因此在适当的条件下,地基高频加热装置发射足够的电波功率进入电离层诱导大幅度ELF/VLF波注入到内磁层,能够在1至3天的时间尺度内快速散射外辐射带相对论电子使之沉降,也能够在10天量级的时间尺度里散射生存周期一般为100天甚至更长的内辐射带相对论电子。