辐射带是地球空间最严重的辐射环境。为了了解它的基本结构和形态，多年来人们对辐射带粒子的起源和分布作了大量的探测和分析。辐射带结构及其变化一直是空间物理学研究的重要课题。CRRES卫星的探测数据表明，辐射带的辐射环境远比NASA辐射带模型描述的静态辐射环境复杂得多。辐射带随空间尤其是时间变化的重要性比人们以前想象的要重要得多。近来的研究证明了辐射带粒子实际上是随不同时间尺度动态分布的。时间尺度可分为长、中、短三种。长时间尺度变化主要是由于地磁场长期变化引起的。地磁偶极矩随时间推移而逐年减小，地磁非偶极场的中心位置以每年2.5km的速度偏离地球中心向西漂移，因此内辐射带的结构和捕获粒子的分布势必随之发生变化，对南大西洋异常区(SAA)的影响尤其显著。中时间尺度主要指辐射强度随太阳活动周期的变化。太阳活动高年期间中性大气层相对于太阳活动低年要膨胀，因此辐射带低高度的边界由于与大气中性成分的相互作用而受到侵蚀，导致辐射带结构和捕获粒子分布的改变。短时间尺度变化反映的是太阳质子事件期间辐射带高能粒子的变化以及磁暴、磁亚暴引起的辐射带高能粒子分布的变化，如高能电子暴。它表现为能量～102keV到～MeV相对论电子通量的增强，通常发生在磁暴期间，是磁层常见的危害最大的灾害性空间天气现象。磁暴也是影响辐射带短时间尺度变化的主要因素，而辐射带区域环电流的增强是产生磁暴的主要原因，因此环电流离子的分布和辐射带结构的短时间尺度变化密切相关。中时间尺度主要指辐射强度随太阳活动周期的变化。研究辐射带多时间尺度动力学变化，对正确估计地球辐射带的辐射环境、准确计算辐射通量有重要作用，因此辐射带多尺度动力学研究在科学和应用两方面都具有重要意义。 NOAA/TIROS卫星提供了自1978年来辐射带两个太阳活动周以上的能量粒子和高能粒子的探测数据，为本文研究辐射带多时间尺度的变化提供了宝贵的观测数据。本论文主要包括以下三方面的内容： (1)辐射带低高度高能粒子的动力学变化 NASA的AE-8和AP-8模型由于构建于70年代，所用数据仅限于60-70年代，不能直接很准确地用于估算当前和今后的辐射环境。如果直接使用AE-8/AP-8模型，将不可避免地低估当前年代高能粒子的辐射通量。本文采用了带电粒子绝热近似理论与数值经验模型相结合的方法，提出和发展了用于研究辐射带长期变化的漂移壳追踪法(DSTM)。应用DSTM研究辐射带低高度高能质子辐射环境的长期变化时发现，随着时间的推移，辐射带高能粒子通量有长期增强的趋势。研究1900年至2000年100年的高能粒子辐射通量变化的结果表明，位于南大西洋异常区中心的高能粒子的通量在100年里有非常显著的增加，增加幅度在一个数量级以上，并且通量的中心有明显的西移和扩大的趋势。在第三绝热不变量守恒和地磁偶极矩缓慢衰减的条件下，捕获粒子所在的漂移壳将向较小L位置运动，称为为漂移壳下沉。研究结果表明，在过去的100年里，SAA以外的区域漂移壳下沉的幅度为300-400公里，而SAA区漂移壳下沉非常显著，大约1500公里左右。由于DSTM的使用是有一定条件的，即粒子的寿命必须大于要追踪的时间长度。我们利用漂移壳平均的方法计算了高能质子的寿命。结果表明当质子的能量大于30MeV时，我们可以用DSTM可以较准确地追踪30年以上的高能质子通量的绝热变化。 通过NOAA卫星提供的观测数据，可以很清楚地看出从1980年到2000年的20年来内辐射带SAA区高能质子的通量有显著的增加，增加幅度为20％左右，并且PSAA的中心也有明显的西移，平均西移了5°-6°，与用DSTM方法得到的结果一致。结果也证明了使用DSTM可以较为准确地给出由于地磁场长期变化而导致的漂移壳的偏移和内辐射带低高度高能粒子辐射通量的变化。因此可以在当前的年代下更为准确地使用AE-8和AP-8模型。 NOAA卫星的观测数据还表明太阳活动指数(F10.7)的变化与质子通量的变化成相反趋势，证明了低高度高能质子存在太阳11周年活动的周期性变化。 NOAA卫星数据对1991年和1989年这两次大的事件的研究发现，对于运行在近地低轨的卫星和航天器来说，近地轨道辐射环境严重的地区已经不仅仅位于南大西洋异常区。当太阳质子事件发生时，整个辐射带区域都充满了高能质子，并在几天后形成较为稳定的新的质子带。这对近地空间空间辐射环境的影响是非常严重的，对运行在这里的卫星和航天器造成了严重的威胁。 (2)大磁暴期间辐射带环电流离子的注入过程和对称环电流的形成机制的研究 实现了不同的赤道投掷角的环电流离子的三维轨道(TPTCs)计算，更加真实地反映了环电流离子的注入过程。TPTCs的计算结果表明强的磁层对流电场可以使得中低磁尾的带电粒子在向地球漂移的过程中得到有效的加速，加速时间约为1～3小时。对于闭合环电流形成的机制，目前有不同的解释。对流电场的涨落在对称环电流的形成过程中起到的作用无疑是存在的。但我们的研究发现，并非任何磁暴期间都会存在对流电场剧烈的起伏，这说明对流电场的涨落并不是闭合环电流形成的唯一机制。我们提出了屏蔽电场促进闭合环电流形成的新机制。数值计算及与观测的比较都很好证明了本文提出的屏蔽电场的作用有可能是闭合环电流形的一个重要机制。这一机制与对流电场涨落的机制并不矛盾，它可能是暴时环电流形成的一个更为本质的因素。 NOAA-16卫星对于磁暴期间环电流离子分布的观测表明，磁暴期间高纬环电流离子的分布具有非对称的特征。 (3)磁层高能电子暴的起源和形成机制的研究 过去通常将伴随地磁暴产生高能电子暴分为两种：突发型电子暴和滞后型电子暴。然而观测表明，还存在另外一种类型的高能电子暴。它是由太阳质子事件期间太阳风中的高能电子到达地球磁层引发的，不受地磁暴的影响，我们将它定义为太阳质子事件期间的高能电子暴，其具有突发性的特征。 对于大磁暴期间的高能电子暴起源的研究结果表明，大磁暴期间发生的磁层亚暴可以产生能量为～102keV的电子，这些电子在某种有效的加速机制的作用下变成相对论电子，为与磁暴相关的高能电子暴的形成提供了源。 对太阳质子事件期间发生的高能电子暴的研究表明，来自太阳风中的高能电子可以通过某种方式直接进入地球内磁层。因此我们推断，在太阳能量粒子事件中产生的高能电子到达地球后，它们可以沿着磁层开放磁力线进入极盖区和极尖区，并捕获在地球磁层。因此太阳质子事件期间，来自太阳风中的高能电子可以为发生在磁层中的高能电子暴提供需要的种子电子，并引发高能电子暴。 目前对于辐射带高能电子暴的研究主要有两种观点，一种是以Li等人为代表的的电子通过径向扩散从高L地区向低L地区扩散，同时得到加速；另一种是Baker和Reeves等人提出的在L=4附近的区域内可能由于低频等离子体波和能量电子之间的共振相互作用，使～102keV电子的能量增加到MeV以上。我们通过NOAA卫星对于高能电子暴的观测研究表明，在高能电子暴形成的过程中两种相对论电子加速机制都存在。其中更为重要的还是磁层内部的加速机制，如ULF波共振加速机制。