通过大功率ELF/VLF调幅的高频波对电离层进行加热,形成电离层虚拟天线,可以作为发射ELF/VLF波的一种有效手段。相关的实验和观测显示,这种人工激励的ELF/VLF波可以向上进入磁层区域传播,也可以向下进入地球-电离层波导传播,具有重要的潜在应用价值。本文正是基于以上这些实验和观测结果,从理论分析和数值模拟的角度,研究和探讨电离层人工激励的ELF/VLF波在地球-电离层波导和在磁层中的传播特性,以及在磁层与高能电子的共振相互作用。本文的研究具有两方面的现实意义：首先,通过电离层调制加热激发ELF/VLF波克服了传统的ELF/VLF天线系统占地面积庞大,架设困难等缺点,电离层调制激发的ELF/VLF波进入地球-电离层波导,可以用来实现远距离对潜通信和地下目标探测等实际用途。其次,电离层调制激发的ELF/VLF波向上传播进入磁层,能够与磁层中的高能电子发生波粒相互作用,使得高能电子沉降到大气中,降低其含量,保障卫星等航天设施的安全,延长它们的寿命。本文的主要研究成果如下：1.详细研究和分析了通过电离层调制加热激励的ELF/VLF波在地球空间区域的传播。考虑到传播背景介质的巨大差异,主要分两个方面对电离层人工ELF/VLF波的传播进行研究,一个是基于全波解理论对下行的ELF/VLF波在低电离层及中性大气层中的传播进行分析,另一个是用射线追踪技术模拟上行的ELF/VLF波在上电离层及磁层中的传播路径和各种特性。在对下行传播的人工ELF/VLF波的研究中,本文使用已有的调制加热模型,计算了高频加热电离层产生的低频辐射源强度,采用全波解算法分析辐射的低频波向下传播过程中的衰减和反射问题,并采用HAARP实验参数,模拟出在海面上接收到的低频信号强度为PT量级,与实验数据一致。模拟结果表明,加热泵波功率、低频调制波频率,以及加热纬度位置是影响ELF/VLF波辐射和传播的三个主要因素。对于上行传播的人工ELF/VLF波,通过磁层射线追踪,我们得到了ELF/VLF波在磁层中的传播路径和波法向角的变化。射线追踪模拟结果显示,一方面,从低纬激发的ELF/VLF波通过多次磁层反射向更远的L-shell传播,最后稳定于某一L值附件,稳定后波法向角趋近于90。,即ELF/VLF波呈高倾斜性；调制频率和激发纬度对ELF/VLF波的传播路径有巨大的影响,较低的频率或者从较高的纬度出发的低频信号能够到达更远的L-shell。另一方面,从中高纬激发的ELF/VLF波在到达另外半球时往往不发生反射而直接进入电离层和大气层,传播过程中波法向角始终接近于180。,即ELF/VLF波以准平行方式传播。以上这些关于电离层调制加热激励的ELF/VLF波的传播特征的研究结论,能够为这种人工ELF/VLF波在地球-电离层波导以及磁层中的实际应用提供一定的理论依据。我们以人工沉降高能电子为例,射线追踪模拟结果显示,在其他条件不变的情况下,调制频率和激发纬度在很大程度上决定了电离层加热激励的低频波在磁层中的传播路径,因此,可以根据所要沉降的辐射带区域,在电离层加热实验中,选择合适的调制频率和激发纬度,使该低频信号能够传播到目标区域,这是实现通过电离层调制激发的低频波来人工沉降高能电子的第一步。2.建立了基于恒定地磁场的试验粒子模型,对人工ELF/VLF单色波对磁层高能电子的局地共振散射效应进行了详尽的研究。根据射线追踪的结果,我们选择L=3的磁层区域和高倾斜的ELF/VLF波,试验粒子模拟结果显示,单个粒子在人工ELF/VLF波作用下投掷角和能量(α,E)的改变具有随机性,而所有试验粒子平均化的△α2和△E2随时间呈现出近似线性的增大,说明波粒共振散射过程体现出整体性。基于试验粒子模拟得到的局地共振散射系数表明幅度为10pT的人工ELF/VLF波能够对1MeV电子产生较强的局地投掷角散射效应,进而影响高能电子的损失、沉降等动力学过程。当人工ELF/VLF波在传播过程中变得高度倾斜,不仅最基本的一阶共振十分重要,高阶共振散射也具有较大效应。这些定量分析结果表明通过电离层加热激发人工ELF/VLF哨声波来沉降、消除辐射带高能电子具有其可行性。另外,电离层调制加热实验可以通过扫频激发一定数量的低频频率,注入磁层空间,如果这些频率之间的间隔足够小,数量足够多,则相当于形成了具有一定带宽的ELF/VLF多色波。因此,我们也利用试验粒子模拟对人工激发的离散的,宽带的ELF/VLF波与磁层高能电子的一阶局地共振相互作用进行了研究。研究发现,多色波的局地共振散射效应和单色波有许多相似的特点,比如单个粒子的随机性和所有试验粒子的整体性。另外,我们发现存在一个临界频率间隔,当△f小于这个临界值,多色波的散射系数与频率间隔成反比(与频率分量数成正比),当△f大于这个临界值,多色波的散射系数保持不变。这些结果表明,频率间隔的合理选择有助于实现人工多色波对高能电子的最大散射效应。最后,我们对本文的试验粒子模拟得到的局地散射系数和由加州大学洛杉矶分校(UCLA)的FDC (Full Diffusion Code)模型计算的准线性局地散射系数进行了对比,两者无论是变化趋势还是强度,都吻合的比较好,证明了这两种方法评估人工ELF/VLF波对高能电子的局地共振散射效应的可行性。3.我们将局地试验粒子模型扩展为基于偶极场的弹跳试验粒子模型,并基于此模型对从中高纬激发的平行传播的人工ELF/VLF波,以及从低纬激发的高倾斜的人工ELF/VLF波在L=5的外辐射带对高能电子的散射效应分别进行研究。其中,平行传播的ELF/VLF波因为在外辐射的较大的潜在价值,其散射效应是研究的重点,我们对平行传播的1000Hz单色波的散射效应,500—2000Hz宽带波的散射效应,大波幅时的非线性效应分别进行了研究。平行传播的ELF/VLF波的散射效应的研究显示,幅度为10pT的单色波,或者平均幅度为10pT的多色波,能够对300keV电子产生～10-5s-1量级的弹跳平均投掷角散射率,这显示通过中高纬电离层调制加热激发的平行传播的人工ELF/VLF波能产生较快沉降、消除辐射带高能电子的效应,时间尺度可以达到、天量级。另外,对于带宽和平均波幅度一定的多色波,选取不同的频率间隔,比如20Hz和200Hz,其与高能电子共振相互作用的弹跳平均共振散射系数曲线几乎是一样的。研究还显示,人工ELF/VLF波幅度对散射效应具有很大影响,当波幅度在几百pT以下,弹跳平均散射系数的大小与幅度的平方成正比,当波幅度足够大,几百pT以上,非线性共振波粒相互作用开始起主导作用,会有相位捕获(phase trapping)和相位隆起(phase bunching)等非线性效应出现,散射系数也不再与波幅的平方成线性关系。高倾斜的ELF/VLF波的散射效应的研究显示,高倾斜波与高能电子的共振相互作用比单色波复杂很多,主要是由于高倾斜波与电子在一个弹跳周期内可能发生朗道共振和多种回旋共振。由于高倾斜波的空间局限性,赤道投掷角较小的电子与高倾斜波仅发生多种回旋共振,其中共振阶数越大,散射效应越弱,赤道投掷角非常大时仅发生朗道共振,而当赤道投掷角位于中间时,既有回旋共振也有朗道共振,其中朗道共振占主导地位。除了赤道投掷角非常大仅发生朗道共振的情况,波幅度为10pT的高倾斜波对300keV电子的弹跳平均共振投掷角散射系数在～10-5s-1左右,这显示通过低纬电离层调制加热激发的高倾斜的人工ELF/VLF波也能产生较快沉降、消除辐射带高能电子的效应,时间尺度达～天量级。最后,我们以平行传播的1000Hz波与300keV电子的共振相互作用为例,将试验粒子模拟得到的弹跳平均散射系数,和FDC模型计算的准线性弹跳平均散射系数进行了对比,两者基本吻合,证明了这两种方法评估人工ELF/VLF波对高能电子的弹跳平均共振散射效应的可行性。