地面VLF人工源产生的信号可以在地球和电离层底边界不停的来回反射,以波导的方式向远处传播,但是由于电离层并不是理想导体,其中有一部分电波能量能够渗透进入电离层,并倾向于沿着地球磁力线形成的哨声导管以很小的损耗继续向磁层传播。地面VLF辐射渗透进电离层和磁层传播的研究意义在于:首先不仅有助于理解和发现电离层中的新效应和新现象,而且有助于加深对磁层-电离层-大气层耦合的物理过程的理解,推动空间天气的预测研究,在实际应用中具有一定的意义和价值。其次,一方面可以提供地基VLF人工源上方的电离层电磁场背景场信息,为中国电磁卫星电磁场数据的的可靠性验证和数据质量评价提供一定的参考依据,另一方面还可以为寻找地震前VLF人工源信噪比变化提供一定的理论支持。此外,还有助于研究闪电现象的电离层磁层观测以及人工控制消除磁层辐射带的高能粒子。当VLF波渗透电离层传播时,由于电离层D区电子与中性大气成份的频繁碰撞会导致VLF波能量产生损耗。早在二十世纪六十年代,Helliwell就给出了估算白天和夜间2 kHz和20 kHz的VLF波穿透电离层时能量衰减的经典吸收曲线并得到了广泛应用。但是实际电离层D区电子密度随纬度和季节变化,因此还需要知道Helliwell吸收曲线如何随着电离层D区电子密度变化而变化。此外,随着观测技术的发展和计算能力的提升,发现以往的理论模型在估算VLF波渗透进电离层的吸收量上都存在明显高估的问题。因此以往的模型不足于以解释观测到的更为复杂和准确的电离层现象,需要通过更精确的数值方法求解VLF波的电离层渗透问题并研究其磁层传播。基于此,本文从理论模型、数值模拟和观测数据分析三个角度来探讨VLF辐射渗透进电离层和磁层传播问题。本文的主要研究内容和结果如下:1.首先建立了基于全波解方法的地面VLF辐射渗透进电离层传播的数值计算模型,并对计算过程进行了详细的推导说明。利用建立的VLF全波模型计算了已知地基VLF人工源——NWC和GBZ在空间激发的电磁场能量分布;同时基于卫星观测数据对地面VLF人工源信号在卫星高度激发的电磁场进行时间和空间分布研究,获得了 NWC在电离层中激发的电磁场强度的日变化、季节变化和年变化特征,以及NWC和GBZ两个VLF人工源白天和夜间在电离层中激发的电磁响应的空间分布及差别;计算结果与卫星数据分析结果有比较好的一致性,不仅验证了本文所构建的VLF全波解计算模型的正确性,同时还获得了已知地基VLF人工源在电离层中激发电磁响应的时空分布。计算结果和数据分析结果都表明:（1）电场的日变化比磁场的变化更明显,因此可能通过电场数据寻找地震电离层电磁异常可能更有效;电离层电磁响应的日变化显著,季节变化不大,主要受250千米以下电子密度分布影响;太阳活动越强烈,卫星高度的电磁响应越低。模拟结果与卫星数据分析结果有较好的一致性。（2）对NWC和GBZ在电离层中激发的电磁响应的空间分布研究结果表明,不管白天还是夜间的电磁场响应的空间分布都呈现一组同心圆环,这种同心圆环可能是由于波导中的波模干涉现象渗透进电离层中所致;同心圆环的中心在地面的投影相对于发射源有径向的偏移,也就是说地表的VLF源在电离层中激发的电磁扰动并不在辐射源的正上空,而是相对于发射源有沿着磁力线方向的偏移;同心圆环具有南北不对称性,磁力线倾向一侧的同心半圆能量高于另外一侧,这种不对称性可能与地磁倾角的影响有关。计算结果与卫星数据观测结果在变化趋势和大小上均有较好的一致性。2.在此基础上,利用验证后的VLF全波解计算模型进行数值模拟实验,研究了具有不同辐射源参数（辐射频率和功率）的地面VLF辐射源在不同地磁场参数（地磁场强度和倾角）和电离层参数（电子密度和碰撞频率）条件下激发的地球-电离层波导以及电离层中的电磁场能量的空间分布,以及电离层D区对电波吸收量的差别。模拟结果发现:（1）地面VLF辐射源在地球-电离层波导中激发的能量水平向分布呈现波模干涉现象,且波导上下边界的能量变化趋势刚好相反,相位相差180°。电磁辐射从地表向电离层高度传播的过程中能量不断衰减,主要能量损耗集中在地球-电离层波导中（0千米～65千米）以及120千米以下的低电离层。当电磁辐射穿透电离层D区后,能量随高度基本没有衰减,并且能流在辐射源处的磁力线指向一侧聚集成束沿着磁力线方向传播。也就是说穿透低电离层的电磁波在120千米以上可以沿着磁力线基本无损耗的向高电离层和磁层传播。（2）辐射源的频率决定了地球-电离层波导中能流分布,而地磁场参数和电离层电子密度及碰撞频率对波导中的能量大小和分布影响不大;频率越低,波导和电离层中的能量显著减小,波导中能量高度向的衰减越大,而电离层D区对其吸收作用反而越小。地磁强度越大,电离层D区吸收越小,但当磁场增大到一定值,D区吸收不再继续减小;地磁倾角决定了电离层中电磁能量束的方向,地磁倾角越小,在电离层中激发的能量最大点相对辐射源位置的偏移量越大。坡印廷能流密度的衰减量与碰撞频率和电子密度的增加量不是正比关系。3.对VLF波在磁层中的传播进行了射线追踪数值模拟。对VLF波在磁层中的反射现象进行了理论分析。分析结果表明,当只考虑电子时,色散曲面不闭合,存在损失锥故无法发生波法向角的方向倒转,因此无法发生磁层反射;当考虑离子且频率较低时,折射指数面闭合,从而可能发生磁层反射。通过射线追踪方法模拟得到了不同频率,从中高纬不同位置出发的VLF信号在磁层中的传播路径,确认了不同频率的VLF信号所能达到的L值位置,对VLF信号引起的高能粒子沉降具有指导意义。结果显示,激发的VLF信号在磁层中比较容易形成MR哨声,对于同一磁纬度出发的不同频率的VLF信号,频率越高传播的距离越近,低频的VLF波易于传播到更远的距离。VLF波基本都在南北半球之间来回弹跳,逐渐传播到大L值的位置,在传播过程中,L值的变化越来越慢,最后趋于稳定在一个固定的L值,因此在地面观测不到,一般要通过卫星观测。通过VLF波的这种特性,我们可以对VLF波的传播进行有效的控制,使其能传播到磁层高能粒子聚集区,从而致使高能粒子更有效的沉降。另外,波法向角在传播过程中也越来越小,即VLF在磁层中传播倾向于沿着地球磁场方向。对于高纬度的更低频率的电磁波更容易形成导管哨声,更容易穿透电离层达到地面。4.将本文建立的VLF全波模型扩展,使之能够用于更低的ULF频段信号,并将此模型初步应用于地震电离层前兆异常引起的电场变化研究,模拟了地震引起的电离层等离子体密度变化可能在卫星探测高度导致的ULF电场变化。由于离子回旋频率和ULF频段电磁波频率较为接近,因此离子对电磁波传播的影响在ULF频段变得不可忽略。为更真实反映实际,在传播模型中加入了离子密度来研究电离层背景（电子密度和离子密度）的变化对ULF电磁波传播的影响,模拟了不同纬度的地震激发的ULF电磁波渗透到电离层卫星高度的电场变化。结果表明:电子密度变化对渗透进电离层的电磁场的影响要大于离子密度。此外,频率越低的ULF电磁波在电离层中的衰减越小,这说明频率相对较低的电磁波在卫星高度的电磁响应可能更容易被探测到。相对于赤道区域,纬度较高入射的电磁波的衰减越小,可能在纬度相对较高的区域更容易探测到地震激发的ULF电磁波。