För att ta reda på hur lång tid det tar en puls av laserljus att resa från rymden till jorden och tillbaka, du behöver ett riktigt bra stoppur – ett som kan mäta inom en bråkdel av en miljarddels sekund.

Den typen av timer är precis vad ingenjörer har byggt vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, för isen, Moln och land Höjd Satellit-2. ICESat-2, planerad att lanseras 2018, kommer att använda sex gröna laserstrålar för att mäta höjden. Med sina otroligt exakta tidsmätningar, forskare kan beräkna avståndet mellan satelliten och jorden nedanför, och därifrån registrera exakta höjdmätningar av havsis, glaciärer, isflak, skogar och resten av planetens ytor.

"Ljuset rör sig verkligen, riktigt snabbt, och om du ska använda den för att mäta något till ett par centimeter, du borde ha en riktigt, riktigt bra klocka, sa Tom Neumann, ICESat-2:s biträdande projektforskare.

Om dess stoppur höll tiden till och med en mycket exakt miljondels sekund, ICESat-2 kunde bara mäta höjd till inom cirka 500 fot. Forskare skulle inte kunna se toppen av en femvåningsbyggnad från botten. Det minskar inte det när målet är att registrera även subtila förändringar när istäcken smälter eller havsisen tunnar ut.

För att uppnå den nödvändiga precisionen på en bråkdel av en miljarddels sekund, Goddards ingenjörer var tvungna att utveckla och bygga sin egen serie av klockor på satellitens instrument - Advanced Topographic Laser Altimeter System, eller ATLAS. Denna tidsnoggrannhet gör det möjligt för forskare att mäta höjder inom cirka två tum.

"Att beräkna isens höjd handlar om tid för flygning, sa Phil Luers, biträdande instrumentsystemingenjör med ATLAS-instrumentet. ATLAS pulserar strålar av laserljus till marken och registrerar sedan hur lång tid det tar för varje foton att återvända. Den här gången, i kombination med ljusets hastighet, berättar forskarna hur långt laserljuset färdades. Detta flygavstånd, kombinerat med kunskapen om exakt var satelliten befinner sig i rymden, berättar forskarna höjden på jordens yta nedanför.

Stoppuret som mäter flygtiden börjar med varje puls av ATLAS laser. När miljarder fotoner strömmar ner till jorden, några hänvisas till en startpulsdetektor som triggar timern, sa Luers.

Under tiden, satelliten registrerar var den befinner sig i rymden och vad den kretsar över. Med denna information, ATLAS anger ett grovt fönster för när den förväntar sig att fotoner ska återvända till satelliten. Fotoner över Mount Everest kommer tillbaka snabbare än fotoner över Death Valley, eftersom det är mindre avstånd att resa.

Fotonerna återvänder till instrumentet genom teleskopets mottagarsystem och passerar genom filter som blockerar allt som inte är den exakta nyansen av laserns gröna, speciellt solljus. De gröna går igenom till ett fotonräknande elektronikkort, som stoppar timern. De flesta fotoner som stoppar timern kommer att reflekteras solljus som bara råkar vara samma gröna. Men genom att avfyra lasern 10, 000 gånger i sekunden kommer den "sanna" laserfotonen att återvända sammansmälta för att ge forskarna data om ythöjden.

"Om du vet var rymdfarkosten är, och du vet tidpunkten för flygningen så att du vet avståndet till marken, nu har du isens höjd, " sa Luers.

Själva tidtagningsklockan består av flera delar för att bättre hålla koll på tiden. Där är GPS-mottagaren, som tickar av varje sekund — en grov klocka som visar tiden för satelliten. ATLAS har en annan klocka, kallas en ultrastabil oscillator, som räknas av var tionde nanosekund inom dessa GPS-härledda sekunder.

"Mellan varje puls från GPS:en, du får 100 miljoner fästingar från den ultrastabila oscillatorn, "Sa Neumann. "Och den återställer sig själv med GPS varje sekund."

Tio nanosekunder är inte tillräckligt, fastän. För att komma ner till ännu mer exakt timing, ingenjörer har utrustat en finskalig klocka i varje fotonräknande elektroniskt kort. Detta delar upp dessa 10-nanosekunders fästingar ytterligare, så att returtiden mäts till hundratals pikosekunder.

Vissa justeringar av denna restid måste göras på marken. Datorprogram kombinerar många fotons restider för att förbättra precisionen. Program kompenserar också för hur lång tid det tar att röra sig genom fibrerna och ledningarna i ATLAS-instrumentet, påverkan av temperaturförändringar på elektronik och mer.

"Vi korrigerar för alla dessa saker för att komma till den bästa flygtiden vi möjligen kan beräkna, " sade Neumann, gör det möjligt för forskare att se jordens tredje dimension i detalj.