Per calcolare quanto tempo impiega un impulso di luce laser a viaggiare dallo spazio alla Terra e viceversa, hai bisogno di un cronometro davvero buono, uno che possa misurare in una frazione di un miliardesimo di secondo.

Quel tipo di timer è esattamente quello che gli ingegneri hanno costruito al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, per il ghiaccio, Cloud e terra Elevation Satellite-2. ICESat-2, previsto per il lancio nel 2018, utilizzerà sei raggi laser verdi per misurare l'altezza. Con le sue misurazioni del tempo incredibilmente precise, gli scienziati possono calcolare la distanza tra il satellite e la Terra sottostante, e da lì registrare misurazioni precise dell'altezza del ghiaccio marino, ghiacciai, lastre di ghiaccio, foreste e il resto della superficie del pianeta.

"La luce si muove davvero, davvero veloce, e se lo userai per misurare qualcosa di un paio di centimetri, faresti meglio ad avere davvero, orologio davvero buono, " ha detto Tom Neumann, Vice scienziato del progetto di ICESat-2.

Se il suo cronometro manteneva il tempo anche con un milionesimo di secondo estremamente preciso, ICESat-2 poteva misurare solo l'elevazione entro circa 500 piedi. Gli scienziati non sarebbero in grado di distinguere la parte superiore di un edificio di cinque piani dal basso. Ciò non basta quando l'obiettivo è registrare anche cambiamenti sottili quando le calotte glaciali si sciolgono o il ghiaccio marino si assottiglia.

Per raggiungere la precisione necessaria di una frazione di miliardesimo di secondo, Gli ingegneri di Goddard hanno dovuto sviluppare e costruire la propria serie di orologi sullo strumento del satellite:il sistema di altimetro laser topografico avanzato, o ATLANTE. Questa precisione temporale consentirà ai ricercatori di misurare le altezze entro circa due pollici.

"Il calcolo dell'elevazione del ghiaccio riguarda il tempo di volo, "ha detto Phil Luers, vice ingegnere del sistema strumentale con lo strumento ATLAS. ATLAS invia a terra fasci di luce laser e registra il tempo impiegato da ciascun fotone per tornare. Questa volta, quando combinato con la velocità della luce, dice ai ricercatori quanto lontano ha viaggiato la luce laser. Questa distanza di volo, combinato con la conoscenza di dove si trova esattamente il satellite nello spazio, dice ai ricercatori l'altezza della superficie terrestre sottostante.

Il cronometro che misura il tempo di volo inizia con ogni impulso del laser di ATLAS. Mentre miliardi di fotoni scendono sulla Terra, alcuni sono diretti a un rilevatore di impulsi di avvio che attiva il timer, ha detto Luer.

Nel frattempo, il satellite registra dove si trova nello spazio e su cosa sta orbitando. Con queste informazioni, ATLAS imposta una finestra approssimativa di quando si aspetta che i fotoni ritornino al satellite. I fotoni sul Monte Everest torneranno prima dei fotoni sulla Death Valley, poiché c'è meno distanza da percorrere.

I fotoni ritornano allo strumento attraverso il sistema ricevitore del telescopio e passano attraverso filtri che bloccano tutto ciò che non è l'esatta tonalità del verde del laser, soprattutto la luce del sole. Quelli verdi riescono a raggiungere una scheda elettronica per il conteggio dei fotoni, che ferma il timer. La maggior parte dei fotoni che fermano il timer saranno riflessa dalla luce solare che sembra essere lo stesso verde. Ma sparando il laser 10, 000 volte al secondo i "veri" ritorni di fotoni laser si uniranno per fornire agli scienziati dati sull'elevazione della superficie.

"Se sai dov'è l'astronave, e conosci l'ora del volo così conosci la distanza dal suolo, ora hai l'elevazione del ghiaccio, " ha detto Luer.

L'orologio stesso è composto da diverse parti per tenere meglio traccia del tempo. C'è il ricevitore GPS, che ticchetta ogni secondo, un orologio grossolano che indica l'ora del satellite. ATLAS dispone di un altro orologio, chiamato oscillatore ultrastabile, che conta ogni 10 nanosecondi all'interno di quei secondi derivati ​​​​dal GPS.

"Tra ogni impulso dal GPS, ottieni 100 milioni di tick dall'oscillatore ultrastabile, " Ha detto Neumann. "E si resetta con il GPS ogni secondo."

Dieci nanosecondi non bastano, anche se. Per arrivare a tempistiche ancora più precise, gli ingegneri hanno equipaggiato un orologio su piccola scala all'interno di ogni scheda elettronica per il conteggio dei fotoni. Questo suddivide ulteriormente quei tick di 10 nanosecondi, in modo che il tempo di ritorno sia misurato in centinaia di picosecondi.

Alcune modifiche a questo tempo di viaggio devono essere apportate a terra. I programmi per computer combinano molti tempi di viaggio dei fotoni per migliorare la precisione. I programmi compensano anche il tempo necessario per spostarsi attraverso le fibre e i fili dello strumento ATLAS, l'impatto delle variazioni di temperatura sull'elettronica e altro ancora.

"Correggiamo per tutte queste cose per ottenere il miglior tempo di volo che possiamo calcolare, "Neumann ha detto, permettendo ai ricercatori di vedere in dettaglio la terza dimensione della Terra.