在宇宙里大部分的物质都是等离子体状态,地球磁层为等离子体的研究提供了天然的实验室。在等离子体物理中,波动的研究一直占据着核心地位。波动是等离子体的最基本的运动形式。湍流是一种非线性的物理过程,在天体物理中普遍存在,对能量的传输和耗散起着重要作用。磁层亚暴是地球磁层中最常见的物理现象之一,而偶极化是磁层亚暴的重要组成部分。偶极化锋面是磁场偶极化的前缘结构,伴随偶极化锋面有电子和离子的加速,同时偶极化锋面也是能量和通量传输的重要载体。磁场重联是磁层亚暴或者磁层暴产生的一个可能机制,它能使磁场的能量在短时间内转化为等离子体的动能和热能。研究这些基本物理过程中的波动和粒子动力学过程,对于理解空间中的能量传输和耗散有着重要意义。弓激波前兆区域的湍流是怎么演变的,其中的波粒相互作用和能量耗散是怎样的?这对于理解空间中的湍流的发展具有借鉴作用。偶极化锋面附近存在丰富的波动,比如哨声波频繁地被观测到。哨声波在偶极化锋面后的空间分布是怎样的?它的基本特征是什么?哨声波对应的电子分布是怎样的?它的能量来源是什么?在偶极化锋面附近我们还观测到一些非线性结构,如镜像波模结构。那么这些结构的特征是什么,对电子动力学有什么影响?这些结构中是否存在波动的耦合过程,对能量的传输有什么作用?磁场重联中也存在丰富的波动,低混杂波是其中一种重要的波动,那么低混杂波到底在重联中扮演什么角色?它与高能电子加速有什么样的关系?这些问题都需要我们去回答。基于Cluster卫星的观测,结合数值模拟,我们对这些基本的等离子体物理过程进行了分析。本论文的第一章是综述,介绍了地球磁层,湍流,磁层亚暴和磁场重联,概述了基本的等离子体波动和不稳定性。本论文的第二章介绍了卫星探测仪器和数据分析方法。本论文的第三章报道了高β值的弓激波前兆区域内湍流的演变过程。首先,通过Cluster卫星的数据我们在高β弓激波前兆区域的湍流中观测到两种波形：准正弦的和不规则的。另外我们发现它们的极化发生了转变,从右旋极化演变成左旋极化。由于准正弦波是右旋极化的,并且其在等离子体坐标系中的传播方向是背离太阳的,我们认为准正弦波是由离子-离子右旋非共振不稳定性激发的。密度功率谱中“衰退线”的发现,推测出极化的转变是衰退不稳定性造成的结果。结合一维混合模拟中两个具有不同速度的事例来分析,我们验证了这种极化方向的转变和“串级”(波的能量由较大的波矢转变为较小的波矢)是由衰退不稳定性造成的。尽管在磁流体力学中衰退不稳定不能够在高p区域产生,但是这种对于p值的依赖性可以被离子动力学效应修正。另一方面,我们通过模拟也发现在早期无论是哪种右旋不稳定性占主导作用,在最后阶段左旋波都将会成为磁场扰动的主要分量。本论文的第四章主要研究了偶极化锋面附近的波动。通过对Cluster卫星2001年至2007年在磁尾观测数据的统计,我们得到了偶极化锋面后哨声波的空间分布,包括全局分布和局地分布；得到了哨声波的特征参量,如频宽,中心频率,波动幅度,传播角等,并研究了特征参量的全局分布和局地分布；得到了相对应的电子分布。我们发现,哨声波在空间分布上存在晨昏不对称性。在GSM坐标系下,波动幅度随着径向距离的增加向着晨侧方向偏移；在局地坐标系下,随着向锋面的晨侧移动,波幅的平均值开始增大。在GSM坐标系下,能级在5-24keV电子的垂直各向异性也随着径向距离的增加向着晨侧方向偏移,这可能是由于电子的梯度漂移和曲率漂移引起的；在局地坐标系下,随着向锋面的晨侧移动,能级在5-24keV的电子垂直各向异性的平均值开始增大。这表明波动幅度和电子的垂直各向异性存在正相关性。哨声波可能是由能级在5-24keV的电子垂直各向异性激发的。在研究统计事件过程中,我们还发现了一个有趣的事件。在近地磁尾两个偶极化之间,我们发现了磁场的大幅度振荡结构。这个结构的磁场变化与等离子体密度变化成反相关,在等离子体坐标系下其频率为零,且是线性极化的。这些表明这个结构是镜像模(mirror)结构。我们注意到垂直方向离子温度各向异性在偶极化之后有所增强,这可能是由于磁场强度增强时betatron加热所导致的。这些说明偶极化过程可能为镜像模结构的增长提供有利的等离子体条件。电子分布是镜像模结构中的一个有趣特性。在前三个镜像结构的磁场下降区,投掷角为0。和1800的热电子通量有所增强,而在最后一个镜像结构的磁场下降区,则是投掷角为90°的热电子通量有所增强。镜像模结构中电子分布的不同可能是镜像波演变所导致的结果。在镜像模结构中,最后一个结构可能是在镜像不稳定性的非线性阶段,而前三个结构具有准正弦波形,则可能是在其线性发展阶段。另外,在镜像模结构的磁场下降区我们发现有剧烈的波动,该波动是哨声波。根据电子温度的各向异性,我们推测在前三个下降区被观测到的哨声波是从较远的区域产生,之后被镜像模结构捕获,进而传送至卫星观测处。而最后一个下降区中观测到的哨声波则是由当地电子各向异性不稳定所激发的。镜像模结构可以作为哨声波的载体,沿磁力线传输哨声波能量。值得注意的是,这种机制对亚暴中的能量传输和耗散过程可能有重要意义。本论文的第五章是基于Cluster卫星观测到的21个磁尾重联事件,统计分析了低混杂波在磁重联区中的分布并讨论了其在磁重联过程中可能扮演的角色。我们发现随着等离子体p值的增长,低混杂波对应的磁场扰动增强而电场扰动降低。当p超过10时,电场与磁场扰动都会急剧减弱。进而,基于二维重联模型,我们构建了二维波动分布。磁场的扰动一般在出流区最为强烈,而相比之下在入流区和分界线区域的磁场扰动则较微弱。电场的扰动在分界线区域最为强烈,而在入流区和出流区相对微弱。波动强度和重联率、高能电子加速都存在着正相关的关系。这为充分理解低混杂波在重联耗散过程中的作用提供了关键的一步。本文的第六章是对全文的总结和对未来工作的展望。