日地系统中的绝大多数空间都充满着等离子体。等离子体波是空间等离子体中固有的特征现象,其在日地系统的能量和物质交换过程中起着重要作用:一方面,等离子体波自身就是能量携带者,随着其传播到各个区域,能量便可实现跨区域传输;另一方面,等离子体波既可以吸收粒子能量实现自身的增长,也可以将能量传递给地球磁层中的粒子,导致地球辐射带粒子通量增加,并可能对人造卫星造成损害,还可以将磁层中的粒子沉降到大气层,形成极光。地球磁层中充满着各种各样的等离子体波,其中电磁离子回旋波、快速磁声波、哨声波(包括嘶声波、合声波及带状哨声波等)是常见且重要的几种。这些等离子体波在空间中的分布是怎么样的?这些波动是怎么激发出来的?在激发过程中又有哪些因素起着主导作用?激发之后对粒子会产生什么影响?随着载有更先进仪器设备的卫星上天,是否发现已知波动的新特征?是否发现理论上预知但还未被观测证实的波动?甚至发现未知的波动?这些新发现的波动是可以用已知理论解释,还是需要新的理论机制?这些都是空间和实验等离子体科学家们需要回答的问题。基于Van Allen Probes和Magnetospheric Multiscale卫星观测数据,以及动理学理论,我们尝试对这一系列问题进行系统地分析研究,以下是本博士论文的主要成果:1.报道了 O+波段电磁离子回旋波的分布特征,提出基于环分布的激发机制。基于Van Allen Probes的观测数据,我们报道了 O+波段电磁离子回旋波在地球磁层中的空间分布特征。由于这些波动具有与之前发现的其他波段电磁离子回旋波不同的特性,我们进一步从理论上提出了基于环分布的激发机制,很好地解释了 O+波段电磁离子回旋波的激发来源。同时,我们还发现背景电子密度和氧离子含量在O+波段电磁离子回旋波的激发也起着关键作用。此外,利用卫星实地观测的波动和离子数据,我们通过典型实例分析验证了我们提出的环分布激发机制。2.报道了 He2+波段电磁离子回旋波的观测及分布特征,以及He+波段电磁离子回旋波通过对He+的加热致使常见截止区的消失。基于Magnetospheric Multiscale波动观测,我们报道了 He2+波段电磁离子回旋波的实例和空间分布特征,同时通过分析卫星离子数据,给出了这种波动在地球磁层中的激发机制,即存在源于太阳风的He2+的条件下由温度各项异性的氢离子激发产生。另外,基于VanAllenProbes的观测,我们报道了电磁离子回旋波H+波段和He+波段之间常见截止区的消失实例;利用实地离子数据分析和动理学理论,我们确认了这种截止区的消失,是因为电磁离子回旋波对He+的加热而产生的结果。3.报道了背景等离子体密度对快速磁声波的调制现象,并用动理学线性增长理论解释了其背后的物理机制。另外,发现这种调制不仅是对磁声波的调制,也可以调制磁声波对等离子体层离子的加热。利用Van Allen Probes的观测,我们首次报道了背景等离子体密度对快速磁声波具有调制作用,发现磁声波在低密度区域具有很强的功率,而在高密度区域却很弱,甚至无法出现。从动理学理论出发,我们进一步证明这是背景等离子体密度通过调制快速磁声波的增长率,从而实现对磁声波强度的调制。此外,我们还发现,在低密度区域,磁声波不仅容易增长,还容易对等离子体层离子产生加热,实现将能量从环电流中具有环分布的离子转换到等离子体层中的离子上。4.报道了地球磁层中低频合声波的观测,以及其产生机制。另外,报道并解释了太阳风动压在带状哨声波的激发上具有重要作用。利用VanAllenProbes的观测,我们报道了地球磁层中存在低频合声波,并用动理学理论,证实了稠密等离子体在这种低频合声波激发过程中的重要作用。此外,还首次报道了带状哨声波在太阳风动压增强时,具有频率高移的现象。通过对卫星实测粒子分析和动理学理论分析,我们揭示了宽带哨声波的这种频率高移,是因为在太阳风动压增强时,电子温度各向异性增强,从而可以激发出更高频率的哨声波。