地球内磁层中捕获了大量高能带电粒子,通过不稳定性可以激发出包括哨声模合声与嘶声、磁声波以及电磁离子回旋波（EMIC）等多种低频等离子体波。利用不同方式调制的高频电波对电离层进行人工扰动,也可以有效产生低频等离子体波。等离子体波通过传播,可以将源区的能量传输到内磁层和电离层中不同的区域,并且可以和这些区域的带电粒子作用,实现能量交换。内磁层和电离层中等离子体成分的变化、不同尺度的电子密度结构以及地磁场的曲率和梯度的作用均可影响低频等离子体波的传播,产生折射、反射、透射和吸收等效应,在一定条件下,不同色散分支上的等离子体波之间可能发生耦合,实现不同波模之间能量的转换。传播效应以及波模耦合会导致波动的传播角和极化方式等特征发生改变,不仅影响了等离子体波在空间上的分布情况,也会影响波动和带电粒子的作用方式。因此,低频等离子体的传播和波模耦合特性对于电离层和内磁层中能量传输过程的研究具有重要意义。本文建立了基于GPU平台加速的等离子体波传播模型,研究了电离层和内磁层中低频等离子体波的传播以及波模耦合,主要研究工作如下:1.电离层嘶声的传播和波模耦合研究我们通过对于在当地特征频率（包括质子磁回旋频率fcp、H+-He+渡越频率fcr以及H+-He+截止频率fcut）附近传播的哨声波模的模拟,研究了电离层嘶声的传播和波模耦合特性。我们发现fcr处的极化反转及波模转换和fut处的反射使得入射哨声波能量最多分为三部分:fcut以下的右旋极化H+频段EMIC波、fcr和fcp之间沿磁力线传播的左旋极化H+频段EMIC波以及fcp以上的右旋极化的反射哨声波,三部分能量大小受到地磁场、初始传播角、电子密度和离子成分的影响。当哨声波从高L值向低L值入射,初始传播角从15°变化到临界值55°时,fcr处波模耦合产生的右旋极化H+频段EMIC波的效率从～80%减小到几乎为0。初始传播角较小对应的右旋极化H+频段EMIC波能量更高,这解释了高纬电离层Freja卫星观测到的type C型和DEMETER卫星观测到的type Ⅰ型的电离层嘶声的传播特性;大传播角（～70°）的哨声波在fcp附近来回反射且向赤道传播,这与射线追踪研究提出的电离层嘶声波导传播机制是一致的,也解释了中低纬电离层Freja卫星观测到的type A和type F型以及DEMETER卫星观测到的type Ⅱ型电离层嘶声的传播特性是一致的。右旋极化H+频段EMIC波能量还随着电子密度以及含量较少的H+所占比例的升高而逐渐降低。fcr处波模耦合产生左旋极化H+频段EMIC波依赖于地磁场垂直梯度并且哨声波从高L值向低L值入射,哨声波初始传播角约为45°时效率最高。2.等离子体层磁声波与电磁离子回旋波的波模耦合研究我们对传播到等离子体层低L值区域的磁声波与EMIC波的波模耦合过程进行了模拟,并研究了磁声波的初始传播角以及含量较少的离子（He+和M/Q=2离子）对波模耦合的影响。不考虑M/Q=2离子时,我们发现从赤道向高纬入射以及从磁纬10°向赤道入射的磁声波在经过当地特征频率（包括H+-He+渡越频率fcr、H+-He+截止频率fcut以及H+-He+双离子混杂共振频率fbi）后,均可通过波模耦合产生左旋极化H+频段EMIC波。对于从赤道向高纬入射的情况,高纬区域fbi处的双离子混杂共振反射起到了重要作用。磁声波能量转换为左旋极化H+频段EMIC波效率最高对应的初始传播角,对于从赤道向高纬区域传播的情况在35°附近,对于从磁纬10°向赤道传播的情况则在65°附近。大角度（～75°）入射的磁声波能否在fcr处波模耦合产生右旋极化H+频段EMIC波依赖于He+含量,在He+含量非常低时（0.1%量级）,才会有明显的波模耦合发生。当离子成分中加入M/Q=2离子时,出现新频段的EMIC波和相应当地特征频率,从赤道向高纬入射的中等传播角的磁声波,可能通过当地H+-M/Q=2渡越频率fcr1和M/Q=2-He+渡越频率fcr2处连续两次波模耦合产生右旋极化的M/Q=2离子频段的EMIC波。在M/Q=2离子含量为0.25%附近时,初始传播角很大（～75°）的磁声波才能在fcr1处与右旋极化H+频段EMIC波发生明显的波模耦合,并且磁声波和波模转换产生的H+频段EMIC波的极化方式和传播角在特征频率附近的变化与范阿伦卫星以及Arase卫星的观测是相符的。右旋极化H+频段EMIC波在当地M/Q=2-He+截止频率fcut2处反射后,只有小部分能量传播到fcr1以上,大部分能量限制在H+-M/Q=2双离子混杂共振频率fbi1和fcut2之间。3.电离层F层调制加热激发超低频波及其传播研究我们模拟了电离层F层超低频调制加热实验中一些重要的物理过程,包括电子温度的空间分布和随时间的变化以及电子温度调制引起的超低频磁声波和剪切Alfven波的激发和波动传播,并研究了电离层背景参数与泵波调制频率对这些物理过程的影响。我们发现加热区域电子温度变化在空间上的场向分布与电子密度平均的场向热传导系数有关,并且在高纬地区比中纬和赤道地区更明显,而对于同纬度地区,则在夜间比白天更明显。电子温度随时间的振幅主要和泵波反射点附近的电子密度平均的电子净加热率有关,并且和调制频率近似呈反比例关系。高纬地区电子温度振幅在白天（夜间）要高（低）于中纬和赤道地区,而对于高纬地区（中纬和赤道地区）,电子温度振幅在夜间要低（高）于白天。电离层电子密度、地磁场和泵波调制频率共同影响了激发的超低频波的传播特性。在电子密度更低,地磁场更强和泵波调制频率更低时,沿磁力线传播的剪切Alfven波的能量相对较大,并且在F层波导中传播的磁声波的跳距较小;而电子密度更高,地磁场更弱和泵波调制频率更高时,超低频波的波长变短,其传播特性开始受到电子温度变化的空间分布形状的影响。电离层背景参数和泵波调制频率会影响抗磁漂移电流源强度和辐射效率,波动的传播特性以及在低电离层的损耗,这些因素共同决定了激发的超低频波在电离层底部的波场强度和分布特征。在高纬地区（中低纬地区）,电离层底部的波场强度在白天（夜间）电离层要大于夜间（白天）电离层。电离层底部的波场分布有两个甚至多个极大值,随着泵波调制频率升高,波场强度最大值会从加热区域正下方转移到更低的纬度,当超过某个临界频率后,波场强度会因为电流源辐射效率降低,低电离层损耗增强等原因而持续减小。4.内磁层哨声波在低混杂共振频率附近的传播及波模耦合研究通过模拟我们首先研究了在赤道内磁层中小尺度场向密度不规则体作用下电磁哨声波和准静电哨声波的波模耦合,并且分析了波模耦合效率最高时对应的密度不规则体的最佳横向空间尺度的影响因素。我们发现电磁哨声波和准静电哨声波的波数差与密度不规则体的最佳横向尺度的乘积满足一定的关系,并且还取决于准静电哨声的传播角和背景等离子体参数。准平行电磁哨声与准静电哨声的耦合,波数差和最佳横向尺度乘积在1.5左右。准静电哨声的传播角的减小时,与之耦合的电磁哨声传播角会随而迅速增大,波数差和最佳横向尺度的乘积也会减小。在内磁层等离子体条件下,不规则体最佳横向尺度随着电子等离子体频率与磁回旋频率比值的降低以及波动频率与当地电子磁回旋频率的增大而增大,可从10m到10km量级。在考虑连续多个密度不规则体时,不规则体之间的距离也会影响波模耦合产生的哨声波的幅度。然后我们研究了偶极子场中当地低混杂共振（LHR）频率fLHR附近的哨声波的传播特征,以及局部小尺度密度不规则体对于哨声波传播的影响。我们发现赤道附近的准平行哨声波传播到高纬地区在磁场梯度和曲率的作用逐渐变成准静电哨声,在波动频率低于fLHR的区域发生LHR反射,而质子在LHR反射中起到了极为重要的作用。LHR反射区域出现明显的驻波,并且哨声波从右旋极化变为线极化,这些波动特征为磁层LHR反射区域的观测研究提供了一定的参考。在没有其他物理机制时,LHR反射会使哨声波无法传播到达更低高度。在fLHR附近存在局部小尺度场向密度不规则体时,一小部分准静电哨声波可以通过波模耦合转化为准平行传播的电磁哨声,并穿过LHR反射区域到达更低的高度,这可以作为哨声波避免LHR反射的一种可能机制。波模耦合的效率在密度不规则体的横向尺度与准静电哨声波长的比值约为0.22时到达最大。波模耦合效率还与不规则体的纵向尺度有关,在纵向尺度较小时,耦合效率随之线性增长,增长的速度会随着纵向尺度变得较大时而逐渐减小。