Para medir el tiempo que tarda un pulso de luz láser en viajar desde el espacio a la Tierra y viceversa, necesita un cronómetro realmente bueno, uno que pueda medir en una fracción de milmillonésima de segundo.
Ese tipo de temporizador es exactamente lo que los ingenieros han construido en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt. Maryland, para el hielo Satélite de elevación de nubes y tierra-2. ICESat-2, programado para lanzarse en 2018, utilizará seis rayos láser verdes para medir la altura. Con sus mediciones de tiempo increíblemente precisas, los científicos pueden calcular la distancia entre el satélite y la Tierra a continuación, y desde allí registrar mediciones precisas de la altura del hielo marino, glaciares, capa de hielo, bosques y el resto de superficies del planeta.
"La luz se mueve realmente, realmente rápido, y si lo vas a usar para medir algo a un par de centímetros, será mejor que tengas una realmente, muy buen reloj, "dijo Tom Neumann, Científico adjunto del proyecto ICESat-2.
Si su cronómetro mantuviera el tiempo incluso en una millonésima de segundo muy precisa, ICESat-2 solo pudo medir la elevación dentro de unos 500 pies. Los científicos no podrían distinguir la parte superior de un edificio de cinco pisos de la parte inferior. Eso no es suficiente cuando el objetivo es registrar incluso cambios sutiles a medida que las capas de hielo se derriten o el hielo marino se adelgaza.
Para alcanzar la precisión necesaria de una fracción de mil millonésima de segundo, Los ingenieros de Goddard tuvieron que desarrollar y construir su propia serie de relojes en el instrumento del satélite:el Sistema de altímetro láser topográfico avanzado, o ATLAS. Esta precisión de tiempo permitirá a los investigadores medir alturas dentro de aproximadamente dos pulgadas.
"Calcular la elevación del hielo depende del tiempo de vuelo, "dijo Phil Luers, Ingeniero adjunto de sistemas de instrumentos con el instrumento ATLAS. ATLAS impulsa rayos de luz láser al suelo y luego registra cuánto tiempo tarda cada fotón en regresar. Esta vez, cuando se combina con la velocidad de la luz, les dice a los investigadores qué tan lejos viajó la luz láser. Esta distancia de vuelo, combinado con el conocimiento de dónde está exactamente el satélite en el espacio, les dice a los investigadores la altura de la superficie de la Tierra debajo.
El cronómetro que mide el tiempo de vuelo comienza con cada pulso del láser de ATLAS. Mientras miles de millones de fotones fluyen hacia la Tierra, algunos se dirigen a un detector de pulso de inicio que activa el temporizador, Dijo Luers.
Mientras tanto, el satélite registra dónde está en el espacio y sobre qué está orbitando. Con esta información, ATLAS establece una ventana aproximada de cuándo espera que los fotones regresen al satélite. Los fotones sobre el Monte Everest regresarán antes que los fotones sobre el Valle de la Muerte, ya que hay menos distancia que recorrer.
Los fotones regresan al instrumento a través del sistema receptor del telescopio y pasan a través de filtros que bloquean todo lo que no sea del tono exacto del verde del láser. especialmente la luz del sol. Los verdes llegan a una tarjeta electrónica de conteo de fotones, que detiene el temporizador. La mayoría de los fotones que detienen el temporizador se reflejarán en la luz del sol que resulta ser del mismo color verde. Pero al disparar el láser 10, 000 veces por segundo, los retornos de fotones láser "verdaderos" se fusionarán para dar a los científicos datos sobre la elevación de la superficie.
"Si sabe dónde está la nave espacial, y sabes el tiempo de vuelo para que conozcas la distancia al suelo, ahora tienes la elevación del hielo, "Dijo Luers.
El reloj de tiempo en sí consta de varias partes para realizar un mejor seguimiento del tiempo. Ahí está el receptor GPS que marca cada segundo, un reloj burdo que indica la hora del satélite. ATLAS cuenta con otro reloj, llamado oscilador ultraestable, que cuenta cada 10 nanosegundos dentro de esos segundos derivados del GPS.
"Entre cada pulso del GPS, obtienes 100 millones de ticks del oscilador ultraestable, ", Dijo Neumann." Y se reinicia con el GPS cada segundo ".
Diez nanosegundos no son suficientes aunque. Para llegar a una sincronización aún más precisa, Los ingenieros han equipado un reloj de escala fina dentro de cada tarjeta electrónica de conteo de fotones. Esto subdivide aún más esos tics de 10 nanosegundos, de modo que el tiempo de retorno se mide en cientos de picosegundos.
Es necesario realizar algunos ajustes en este tiempo de viaje en tierra. Los programas de computadora combinan muchos tiempos de viaje de fotones para mejorar la precisión. Los programas también compensan el tiempo que se tarda en moverse a través de las fibras y los cables del instrumento ATLAS, los impactos de los cambios de temperatura en la electrónica y más.
"Corregimos todas esas cosas para llegar al mejor tiempo de vuelo que podamos calcular, "Neumann dijo, permitiendo a los investigadores ver la tercera dimensión de la Tierra en detalle.
