Pour chronométrer le temps qu'il faut à une impulsion de lumière laser pour voyager de l'espace à la Terre et vice-versa, vous avez besoin d'un très bon chronomètre, capable de mesurer en une fraction de milliardième de seconde.

Ce genre de minuterie est exactement ce que les ingénieurs ont construit au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, pour la Glace, Nuage et terre Elevation Satellite-2. ICESat-2, lancement prévu en 2018, utilisera six faisceaux laser verts pour mesurer la hauteur. Avec ses mesures de temps incroyablement précises, les scientifiques peuvent calculer la distance entre le satellite et la Terre ci-dessous, et à partir de là, enregistrez des mesures précises de la hauteur de la glace de mer, glacier, calottes glaciaires, forêts et le reste des surfaces de la planète.

"La lumière bouge vraiment, très rapide, et si vous allez l'utiliser pour mesurer quelque chose à quelques centimètres, tu ferais mieux d'avoir un vraiment, très bonne horloge, " a déclaré Tom Neumann, Scientifique adjoint du projet ICESat-2.

Si son chronomètre gardait le temps même à un millionième de seconde très précis, ICESat-2 ne pouvait mesurer l'altitude qu'à environ 500 pieds. Les scientifiques ne seraient pas en mesure de distinguer le haut d'un immeuble de cinq étages à partir du bas. Cela ne suffit pas lorsque l'objectif est d'enregistrer des changements même subtils à mesure que les calottes glaciaires fondent ou que la glace de mer s'amincit.

Pour atteindre la précision nécessaire d'une fraction de milliardième de seconde, Les ingénieurs de Goddard ont dû développer et construire leur propre série d'horloges sur l'instrument du satellite, le système d'altimètre laser topographique avancé, ou ATLAS. Cette précision de synchronisation permettra aux chercheurs de mesurer des hauteurs à environ deux pouces.

"Le calcul de l'altitude de la glace est une question de temps de vol, " a déclaré Phil Luers, ingénieur système d'instruments adjoint avec l'instrument ATLAS. ATLAS envoie des faisceaux de lumière laser au sol, puis enregistre le temps qu'il faut à chaque photon pour revenir. Cette fois, lorsqu'il est combiné avec la vitesse de la lumière, indique aux chercheurs la distance parcourue par la lumière laser. Cette distance de vol, combiné à la connaissance de l'emplacement exact du satellite dans l'espace, indique aux chercheurs la hauteur de la surface de la Terre en dessous.

Le chronomètre qui mesure le temps de vol démarre à chaque impulsion du laser d'ATLAS. Alors que des milliards de photons affluent vers la Terre, quelques-uns sont dirigés vers un détecteur d'impulsions de démarrage qui déclenche la minuterie, dit Luers.

Pendant ce temps, le satellite enregistre où il se trouve dans l'espace et sur quoi il orbite. Avec ces informations, ATLAS définit une fenêtre approximative du moment où il s'attend à ce que les photons reviennent au satellite. Les photons sur le mont Everest reviendront plus tôt que les photons sur la Vallée de la Mort, car il y a moins de distance à parcourir.

Les photons retournent à l'instrument via le système récepteur du télescope et passent à travers des filtres qui bloquent tout ce qui n'est pas la nuance exacte du vert du laser, en particulier la lumière du soleil. Les verts parviennent jusqu'à une carte électronique de comptage de photons, qui arrête le chronomètre. La plupart des photons qui arrêtent le chronomètre seront réfléchis par la lumière du soleil qui se trouve être le même vert. Mais en tirant le laser 10, 000 fois par seconde, les « vrais » retours de photons laser fusionneront pour donner aux scientifiques des données sur l'élévation de la surface.

"Si vous savez où se trouve le vaisseau spatial, et tu connais le temps de vol donc tu connais la distance au sol, maintenant vous avez l'élévation de la glace, ", a déclaré Luers.

L'horloge de chronométrage elle-même se compose de plusieurs parties pour mieux suivre le temps. Il y a le récepteur GPS, qui sonne à chaque seconde - une horloge grossière qui indique l'heure du satellite. ATLAS dispose d'une autre horloge, appelé oscillateur ultrastable, qui compte toutes les 10 nanosecondes pendant ces secondes dérivées du GPS.

"Entre chaque impulsion du GPS, vous obtenez 100 millions de ticks de l'oscillateur ultrastable, " a déclaré Neumann. " Et il se réinitialise avec le GPS à chaque seconde. "

Dix nanosecondes ne suffisent pas, bien que. Pour arriver à un timing encore plus précis, les ingénieurs ont équipé une horloge à petite échelle dans chaque carte électronique de comptage de photons. Cela subdivise encore plus ces ticks de 10 nanosecondes, de sorte que le temps de retour est mesuré à des centaines de picosecondes.

Certains ajustements de ce temps de trajet doivent être effectués sur le terrain. Les programmes informatiques combinent de nombreux temps de trajet des photons pour améliorer la précision. Les programmes compensent également le temps nécessaire pour se déplacer à travers les fibres et les fils de l'instrument ATLAS, les impacts des changements de température sur l'électronique et plus encore.

"Nous corrigeons toutes ces choses pour obtenir le meilleur temps de vol que nous puissions calculer, " Neumann a dit, permettant aux chercheurs de voir la troisième dimension de la Terre en détail.