Para calcular cuánto tiempo tarda un pulso de luz láser en viajar del 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 Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, para el Ice-Cloud and land Elevation Satellite-2. ICESat-2, que se lanzará en 2018, utilizará seis láser verdevigas para medir la altura. Con sus mediciones de tiempo increíblemente precisas, los científicos pueden calcular la distancia entre el satélite y la Tierra debajo, y desde allí registrar mediciones precisas de altura de hielo marino, glaciares, capas de hielo, bosques y el resto de las superficies del planeta.
"La luz se mueve muy, muy rápido, y si vas a usarla para medir algo a un par de centímetros, será mejor que tengas un reloj muy, muy bueno", dijo Tom Neumann, proyecto adjunto del ICESat-2científico.
Si su cronómetro marcara el tiempo incluso a una millonésima de segundo muy precisa, ICESat-2 solo podría medir la elevación dentro de unos 500 pies. Los científicos no podrían distinguir la parte superior de un edificio de cinco pisos desde 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 una billonésima 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 Topográfico Láser Avanzado, o ATLAS.Permitir a los investigadores medir alturas dentro de aproximadamente dos pulgadas.
"El cálculo de la elevación del hielo depende del tiempo de vuelo", dijo Phil Luers, ingeniero adjunto del sistema de instrumentos con el instrumento ATLAS. ATLAS impulsa haces de luz láser al suelo y luego registra cuánto tarda cada fotón en regresarEsta 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, combinada con el conocimiento de exactamente dónde está 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. A medida que miles de millones de fotones fluyen hacia la Tierra, algunos se dirigen a un detector de pulso de arranque 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 para viajar.
Los fotones regresan al instrumento a través del sistema del receptor del telescopio y pasan a través de filtros que bloquean todo lo que no es el tono exacto del verde del láser, especialmente la luz solar. Los verdes pasan a una tarjeta electrónica de conteo de fotones, que detiene eltemporizador. La mayoría de los fotones que detienen el temporizador se reflejarán en la luz solar que resulta ser del mismo color verde. Pero al disparar el láser 10,000 veces por segundo, el fotón láser "verdadero" regresa se unirá para dar a los científicos datos sobre la elevación de la superficie.
"Si sabes dónde está la nave espacial y sabes el tiempo de vuelo para saber la distancia al suelo, ahora tienes la elevación del hielo", dijo Luers.
El reloj temporizador consta de varias partes para controlar mejor el tiempo. Está el receptor GPS, que marca cada segundo, un reloj grueso que indica la hora del satélite. ATLAS presenta otro reloj, llamado oscilador ultraestable, quecuenta cada 10 nanosegundos dentro de esos segundos derivados de GPS.
"Entre cada pulso del GPS, obtienes 100 millones de tics del oscilador ultraestable", dijo Neumann. "Y se reinicia con el GPS cada segundo".
Sin embargo, diez nanosegundos no son suficientes. Para obtener una sincronización aún más precisa, los ingenieros han equipado un reloj de escala fina dentro de cada tarjeta electrónica de recuento de fotones. Esto subdivide esos tics de 10 nanosegundos aún más, de modo que el tiempo de retornose mide en cientos de picosegundos.
Algunos ajustes a este tiempo de viaje deben hacerse en el suelo. Los programas de computadora combinan muchos tiempos de viaje de fotones para mejorar la precisión. Los programas también compensan el tiempo que lleva moverse a través de las fibras y los cables del instrumento ATLAS, elimpactos de los cambios de temperatura en la electrónica y más.
"Corregimos que todas esas cosas lleguen al mejor momento de vuelo que podamos calcular", dijo Neumann, permitiendo a los investigadores ver la tercera dimensión de la Tierra en detalle.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por NASA / Centro de vuelo espacial Goddard . Original escrito por Kate Ramsayer. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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