Characterization of CME-driven shock in the interplanetary medium using type II radio bursts

Abstract

Type II radio bursts are indirect signatures of the fast magnetosonic shock formation in the heliosphere. Those types of MHD shocks accelerate electron beams that via plasma emission mechanism produce electromagnetic radiation. In particular, fast Coronal Mass Ejections (CMEs) produces CME-driven shocks that can be tracked using this radio emission. Observation indicates that type II burst is intermittent in time, indicating that the shock formation and observation are highly dependent on the physical condition of the propagation environment. Using multi-spacecraft observations from STEREO, Wind and SOHO missions, we study the formation and main properties of CME-drive shock since it initial stages to reach 1AU. We present a database of 27 events of Type II radio burst, including features of the flare and CME associated, radio emission and IP shock features. Four events of the sample exhibit Type II radio burst signatures observed in-situ. For them, we study the electrostatic wave activity in-situ in order to determine Langmuir wave existence and the radio emission source region in the interplanetary shock vicinity. For August 18, 2010 event, we examine the structure, propagation, and morphology of the CME-driven shock using multi-observable sources. We describe the main features of the associated eruptive events: flare and CME, the solar burst associated and the interplanetary shock and magnetic cloud detected in-situ. We determine the most probable physical scenario for the generation of radio emission using empirical electron density models. From the 4 events studied, only two present evidence of radio emission source region and one of them shows Langmuir wave activity in the downstream region. The results for August 18, 2010 event indicates that the complex Type II radio burst is observed at high and low frequencies, both related to a CME-driven shock. We suggest that a CME-CME interaction could originate the complex radio emission observed at high frequencies at the initial stages of the event. For the case of slow-drifting low-frequency type II radio emission, we suggest that this may be related to CIR-CME dynamics close to STEREO-A which detects the interplanetary shock in-situ.

Resumen: Los estallidos de radio tipo II son evidencia indirecta de la formación de choques magnetosónicos rápidos en la heliósfera. Este tipo de modos magnetohidrodinámicos (MHD) aceleran haces de electrones que, vía proceso de emisión de plasmas, generan radiación electromagnética. En particular, eyecciones de masa coronal (CMEs) rápidas producen ondas de choque MHD (CMEdriven shocks) las cuales pueden ser rastreadas usando su radio emisión. Observaciones indican que los estallidos de radio tipo II tiene emisión intermitente, lo cual sugiere que la formación y detección de ondas de choque es altamente influenciado por las condiciones físicas del medio en el cual se propaga. Usando datos observacionales de las misiones STEREO, Wind y SOHO, presentamos un estudio de la formación y las características de CME-driven shocks desde sus estados iniciales de propagación hasta que alcanzan 1 AU. Presentamos una base de datos de 27 estallidos de radio tipo II, en donde se incluyen las propiedades básicas de la fulguración y CME asociadas, las características de la radio emisión y la detección del choque interplanetario in-situ. Realizamos un estudio de la actividad de ondas electrostáticas para cuatro eventos de la muestra que presentan evidencia de estallido de radio in-situ con el objetivo de confirmar la existencia de la región fuente de la radio emisión en la vecindad del choque. Para la CME de Agosto 18 del 2010, realizamos un estudio a profundidad de la estructura, propagación y expansión de la CME-driven shock usando múltiples observables. Para el evento describimos las principales características de los eventos eruptivos asociados, los estallidos de radio asociados, el choque interplanetario in-situ y la nube magnética. Para este caso, determinamos el escenario físico más probable para la generación de la radio emisión. De los 4 eventos estudiados, solo dos muestran evidencia de la detección de la región fuente y uno de ellos evidencia ondas de Langmuir inmediatamente después de la detección de la discontinuidad in-situ. El análisis de la CME de Agosto 18 del 2010 indica que el estallido de radio tipo II se observa a altas y bajas frecuencias, ambas emisiones relacionadas al choque estudiado. Sugerimos que la radio emisión a altas frecuencias está relacionada con la interacción de dos CMEs en los primeros estadios del evento. Para el caso del estallido de radio tipo II de deriva lenta y baja frecuencia, sugerimos que puede estar relacionado con la interacción entre una región de interacción corrotante con la CME estudiada cerca a STEREO-A, el cual detecta el choque interplanetario in-situ.