地球磁层是由伴随着高速等离子体粒子流和行星际磁场的太阳风与地球原生偶极子磁场互相作用产生的,地球磁尾是地球磁层的背阳面,在其中蕴含着丰富的空间等离子体物理现象。磁尾的等离子体活动与人类生存的环境生生相关,高能太阳风引起的磁暴现象通过磁尾将能量注入电离层并多次影响人类社会的通讯及电力通信系统,因此研究磁尾的动理学过程对了解人类生存的地球空间环境有着重要的意义。空间等离子体物理的主要研究对象,是地球空间环境中的电磁场以及运行在电磁场环境中的带电粒子。我们对其的主要研究手段有理论模型,卫星和地面观测以及数值模拟几种。理论模型可以在比较本源的层面上给出物理图像,但是需要相应的观测手段和模拟手段来检验理论的准确性；卫星和地面观测手段能够得到最直接最准确的空间等离子体数据,但是由于地球空间环境的广袤(以10个地球半径为单位),现有的观测手段只能得到一定时间段和一定区域内的数据。数值模拟技术是伴随着计算机技术发展起来的科学研究手段,它使用计算机技术将空间等离子体所满足的物理方程离散化,再结合观测和理论所得到的一系列初始条件和边界条件来求解方程,从而对特定的等离子体物理过程得到有效的理解。数值模拟技术在一定程度上解决了空间观测手段和数据匮乏的难题,并且可以在多个时间尺度和空间尺度上对物理过程进行研究。举例来说,在磁尾发生的伴随磁层亚暴(magnetospheric substorms)的粒子加速现象,磁层亚暴是发生在中磁尾到近磁尾的大尺度现象,伴随着磁尾等离子片中的高速地向流(bursty bulk flow, BBF),磁尾磁场位型由拉伸的反平行结构变为偶极子磁场结构,粒子(包括质子和电子)在这个过程中获得加速,并被注入到地球同步轨道附近,这些已经得到加速的高能粒子沿着偶极化磁场的磁力线进入到地球磁层的高纬极尖区(polar cusp),引起南北两极附近上空的大气电离,形成宏伟的极光(aurora)现象。这一过程涉及到几个小时的时间尺度,空间跨度达到20个地球半径左右,卫星在10个以及6个地球半径附近观测到了这一粒子加速和高能粒子注入现象,但是对于这些粒子何时何处并且以何种方式被加速并没有一个明确的解释,针对这一多尺度过程,我们使用单流体全球磁流体力学(global MHD)模拟方法用来研究亚暴磁场位型变化和高速流现象,并结合所得到的电磁场数据和流场数据使用实验粒子(test particle)方法来研究质子加速问题,并将模拟所得到的高能质子结果与NASA THEMIS卫星计划所得到的观测数据进行对比。通过模拟我们发现,2008年2月15日由THEMIS卫星观测到的地向运动偶极化锋面结构在MHD模拟中得到了近似再现,我们的模拟结果也出现了观测中加速到高达100k电子伏特的高能质子,并且模拟结果与观测中发现的高能质子通量增加相吻合,最后我们通过单粒子轨道理论研究了偶极化锋面加速粒子的方式,发现非绝热加速在这一过程中占主要地位。本文将在第一章介绍地球磁尾里最重要的磁层亚暴机制及模型,第三章介绍THEMIS卫星数据与大尺度动理学模拟方法,然后在第五章介绍模拟结果,并对质子伴随偶极化锋面的加速机制讨论,并讨论其对理解亚暴及极光发生机制的帮助。针对中远磁尾发生的磁场重联(magnetic reconnection)现象,我们使用现今主流的全粒子(particle-in-cell, PIC)方法来进行快速无碰磁重联的研究。由于重联耗散区附近的电场结构尤其是Hall电场对理解磁场重联的发生机制,对重联区附近粒子加速以及电磁能向粒子动能转化有着极为重要的意义,我们的研究侧重于在不同导向场(guide field)情况下对Hall电场的新结构的研究。当前卫星的观测手段在磁尾很难有效将背景磁场(ambient field)与导向场区分开来,而且由于卫星观测第三维电场数据的缺失,传统的观测观点一般认为,卫星垂直电流片穿越重联扩散区时,只会得到标准的双极(bipolar) Hall电场结构。但是我们在模拟中发现,在类似的穿越轨道下,当模拟中存在初始较大(0.5倍于背景磁场)的导向场时,将会得到不同于传统双极Hall电场结构的三极(tripolar)Hall电场。我们通过广义欧姆定律仔细研究了各种可能存在的物理机制对这一新的电场结构的作用,并且着重分析了导向场的存在如何会直接影响到最终的电场结果。最后我们进一步的对大导向场情况下可能存在的特殊穿越所得到双极结构进行了补充说明。我们将在第二章介绍空间等离子体的无碰磁重联理论,第四章将对PIC模拟方法进行说明,第六章介绍我们所做模拟工作的结果和对现有卫星观测的指导作用。综上所述,为了弥补现有卫星观测手段的不足,为了对地球空间环境发生的不同空间尺度的等离子体现象进行深入的了解和研究,我们有针对性的选取了不同的数值模拟方法分别进行研究。针对大尺度的磁层亚暴期间,伴随偶极化锋面的质子加速过程,我们使用了全球磁流体力学(global MHD)和大尺度动理学方法(LSK)结合的方法来进行研究。针对磁尾所发生的多尺度快速无碰磁场重联,我们使用了全粒子(PIC)模拟方法对不同导向场情况下的Hall电场结构进行了深入的理解和分析。鉴于未来将有陆续上天的空间科学卫星计划(NASA-MMS, ESA-Cross Scale),我们的模拟工作与卫星观测数据的对比,将进一步帮助我们从多尺度和多时序上深入理解地球磁尾所发生的等离子体物理过程,最终实现对空间天气的预报,从而有效避免灾害性空间天气对人类生存环境的影响。这一拓展将在本文第七章中得到阐述和总结。