Om te bepalen hoe lang een puls laserlicht nodig heeft om van de ruimte naar de aarde en terug te reizen, je hebt een echt goede stopwatch nodig - een die in een fractie van een miljardste van een seconde kan meten.

Dat soort timer is precies wat ingenieurs hebben gebouwd in NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, voor het ijs, Wolk en land Elevation Satellite-2. ICESat-2, gepland voor lancering in 2018, zal zes groene laserstralen gebruiken om de hoogte te meten. Met zijn ongelooflijk nauwkeurige tijdmetingen, wetenschappers kunnen de afstand tussen de satelliet en de aarde hieronder berekenen, en van daaruit nauwkeurige hoogtemetingen van zee-ijs opnemen, gletsjers, ijskappen, bossen en de rest van het aardoppervlak.

"Licht beweegt echt, heel snel, en als je het gaat gebruiken om iets tot op een paar centimeter te meten, je kunt maar beter een echt, echt een goede klok, " zei Tom Neumann, ICESat-2's plaatsvervangend projectwetenschapper.

Als de stopwatch de tijd zelfs tot op een zeer nauwkeurige miljoenste van een seconde bijhield, ICESat-2 kon alleen de hoogte meten tot op ongeveer 500 voet. Wetenschappers zouden de bovenkant van een vijf verdiepingen tellend gebouw niet vanaf de onderkant kunnen onderscheiden. Dat is niet genoeg als het doel is om zelfs subtiele veranderingen vast te leggen als ijskappen smelten of zee-ijs dunner wordt.

Om de benodigde precisie van een fractie van een miljardste van een seconde te bereiken, Goddard-ingenieurs moesten hun eigen serie klokken ontwikkelen en bouwen op het instrument van de satelliet:het Advanced Topographic Laser Altimeter System, of ATLAS. Met deze nauwkeurigheid van timing kunnen onderzoekers hoogten meten tot op ongeveer vijf centimeter.

"Het berekenen van de hoogte van het ijs heeft alles te maken met de vluchttijd, " zei Phil Luers, plaatsvervangend instrumentsysteemingenieur met het ATLAS-instrument. ATLAS pulseert laserstralen naar de grond en registreert vervolgens hoe lang het duurt voordat elk foton terugkeert. Deze keer, in combinatie met de snelheid van het licht, vertelt onderzoekers hoe ver het laserlicht heeft afgelegd. Deze vliegafstand, gecombineerd met de kennis van precies waar de satelliet zich in de ruimte bevindt, vertelt onderzoekers de hoogte van het aardoppervlak eronder.

De stopwatch die de vliegtijd meet, begint bij elke puls van de laser van ATLAS. Terwijl miljarden fotonen naar de aarde stromen, een paar worden naar een startpulsdetector geleid die de timer activeert, zei Luers.

In de tussentijd, de satelliet registreert waar hij zich in de ruimte bevindt en waar hij omheen draait. Met deze informatie, ATLAS stelt een ruw venster in van wanneer het verwacht dat fotonen terugkeren naar de satelliet. Fotonen boven de Mount Everest zullen eerder terugkeren dan fotonen boven Death Valley, omdat er minder afstand moet worden afgelegd.

De fotonen keren terug naar het instrument via het telescoopontvangersysteem en gaan door filters die alles blokkeren dat niet de exacte tint van het groen van de laser is. vooral zonlicht. De groene gaan door naar een fotonen-tellende elektronicakaart, waardoor de timer stopt. De meeste fotonen die de timer stoppen, worden gereflecteerd zonlicht dat toevallig hetzelfde groen is. Maar door de laser 10 af te vuren, 000 keer per seconde zullen de "echte" laserfoton-retouren samenvloeien om wetenschappers gegevens te geven over de hoogte van het oppervlak.

"Als je weet waar het ruimtevaartuig is, en je weet de tijd van de vlucht, dus je weet de afstand tot de grond, nu heb je de hoogte van het ijs, ' zei Luers.

De tijdklok zelf bestaat uit verschillende onderdelen om de tijd beter bij te houden. Daar is de GPS-ontvanger, die elke seconde tikt - een grove klok die de tijd aangeeft voor de satelliet. ATLAS heeft een andere klok, een ultrastabiele oscillator genoemd, die elke 10 nanoseconden binnen die van GPS afgeleide seconden aftelt.

"Tussen elke puls van de GPS, je krijgt 100 miljoen tikken van de ultrastabiele oscillator, "Zei Neumann. "En het reset zichzelf elke seconde met de GPS."

Tien nanoseconden zijn niet genoeg, Hoewel. Om tot een nog preciezere timing te komen, ingenieurs hebben in elke elektronische kaart voor het tellen van fotonen een fijne klok ingebouwd. Dit verdeelt die tikken van 10 nanoseconden nog verder, zodat de retourtijd wordt gemeten tot in de honderden picoseconden.

Op de grond dienen enkele aanpassingen aan deze reistijd te gebeuren. Computerprogramma's combineren veel reistijden van fotonen om de precisie te verbeteren. Programma's compenseren ook de tijd die nodig is om door de vezels en draden van het ATLAS-instrument te gaan, de effecten van temperatuurveranderingen op elektronica en meer.

"We corrigeren voor al die dingen om de beste vluchttijd te krijgen die we mogelijk kunnen berekenen, "Nemann zei, waardoor onderzoekers de derde dimensie van de aarde in detail kunnen zien.