Такой таймер — это именно то, что инженеры построили в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, для спутника подъема льда, облаков и суши-2. ICESat-2, запуск которого запланирован на 2018 год, будет использовать шесть зеленых лазерных лучей для измерения высоты.
Благодаря невероятно точным измерениям времени ученые могут рассчитать расстояние между спутником и Землей внизу и оттуда записать точные измерения высоты морского льда, ледников, ледяных щитов, лесов и остальных поверхностей планеты.«Свет движется очень, очень быстро, и если вы собираетесь использовать его для измерения чего-либо с точностью до пары сантиметров, вам лучше иметь действительно очень хорошие часы», — сказал Том Нойманн, заместитель научного сотрудника проекта ICESat-2.Если бы его секундомер измерял время даже с очень высокой точностью до миллионной доли секунды, ICESat-2 мог бы измерять высоту только с точностью до 500 футов.
Ученые не смогли бы отличить верх пятиэтажного здания от низа. Это не годится, когда цель состоит в том, чтобы зафиксировать даже незначительные изменения, связанные с таянием ледяных щитов или утонением морского льда.Чтобы достичь необходимой точности в доли миллиардной секунды, инженерам Годдарда пришлось разработать и построить свою собственную серию часов на инструменте спутника — Advanced Topographic Laser Altimeter System, или ATLAS. Такая точность синхронизации позволит исследователям измерять высоту с точностью до двух дюймов.
«Расчет высоты льда — это все, что касается времени полета», — сказал Фил Люерс, заместитель системного инженера по приборам ATLAS. ATLAS посылает лучи лазерного света на землю, а затем записывает, сколько времени требуется каждому фотону, чтобы вернуться. На этот раз в сочетании со скоростью света исследователи узнают, как далеко продвинулся лазерный свет. Это расстояние полета в сочетании со знанием того, где именно находится спутник в космосе, позволяет исследователям определить высоту поверхности Земли под ним.
Секундомер, который измеряет время полета, запускается с каждым импульсом лазера ATLAS.
По словам Люерса, когда на Землю стекают миллиарды фотонов, некоторые из них направляются к детектору пусковых импульсов, который запускает таймер.Между тем, спутник фиксирует, где он находится в космосе и над чем вращается.
Обладая этой информацией, ATLAS устанавливает приблизительное окно того, когда он ожидает, что фотоны вернутся на спутник. Фотоны над Эверестом вернутся раньше, чем фотоны над Долиной Смерти, поскольку расстояние до них меньше.Фотоны возвращаются к инструменту через систему приемника телескопа и проходят через фильтры, которые блокируют все, что не соответствует оттенку зеленого лазера, особенно солнечный свет.
Зеленые переходят к плате электроники подсчета фотонов, которая останавливает таймер. Большинство фотонов, останавливающих таймер, будут отраженным солнечным светом, который просто того же зеленого цвета. Но при запуске лазера 10 000 раз в секунду "истинные" лазерные фотоны сливаются, чтобы дать ученым данные о высоте поверхности.«Если вы знаете, где находится космический корабль, и знаете время полета, чтобы знать расстояние до земли, теперь у вас есть высота льда», — сказал Люерс.
Сами таймеры состоят из нескольких частей, чтобы лучше отслеживать время. Есть GPS-приемник, который отсчитывает каждую секунду — грубые часы, которые показывают время для спутника.
ATLAS имеет другие часы, называемые сверхстабильным генератором, которые отсчитывают каждые 10 наносекунд в течение этих секунд, полученных с помощью GPS.«Между каждым импульсом от GPS вы получаете 100 миллионов тактов от сверхстабильного генератора», — сказал Нойман. «И он сбрасывается с помощью GPS каждую секунду».Однако десяти наносекунд недостаточно. Чтобы добиться еще более точного отсчета времени, инженеры оснастили каждую электронную карту счета фотонов точными часами.
Это делит эти 10-наносекундные импульсы еще больше, так что время возврата измеряется сотнями пикосекунд.Некоторые корректировки этого времени в пути необходимо внести на земле.
Компьютерные программы объединяют множество времен пробега фотонов для повышения точности. Программы также компенсируют время, необходимое для прохождения волокон и проводов прибора ATLAS, влияние изменений температуры на электронику и многое другое.
«Мы вносим поправки во все эти вещи, чтобы получить наилучшее время полета, которое мы можем вычислить», — сказал Нойман, позволяя исследователям детально рассмотреть третье измерение Земли.