Nästa månad, NASA kommer att skjuta upp det mest avancerade laserinstrumentet i sitt slag i rymden, påbörjar ett uppdrag för att mäta – i oöverträffad detalj – förändringar i höjderna på jordens polaris.

NASAs is, Cloud and land Elevation Satellite-2 (ICESat-2) kommer att mäta den genomsnittliga årliga höjdförändringen av landis som täcker Grönland och Antarktis till inom bredden av en penna, fånga 60, 000 mätningar varje sekund.

"De nya observationsteknikerna för ICESat-2 – en topprekommendation från forskarvärlden i NASA:s första jordvetenskapliga decadalundersökning – kommer att främja vår kunskap om hur inlandsisarna på Grönland och Antarktis bidrar till havsnivåhöjningen, sa Michael Freilich, direktör för Earth Science Division i NASA:s Science Mission Directorate.

ICESat-2 kommer att förlänga och förbättra NASA:s 15-åriga rekord för att övervaka förändringen i polarishöjder, som startade 2003 med det första ICESat-uppdraget och fortsatte 2009 med NASA:s Operation IceBridge, en luftburen forskningskampanj som höll koll på den accelererande förändringstakten.

Ett tekniskt språng

ICESat-2 representerar ett stort tekniskt språng i vår förmåga att mäta förändringar i ishöjd. Dess Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS) mäter höjden genom att tajma hur lång tid det tar individuella ljusfotoner att resa från rymdfarkosten till jorden och tillbaka.

"ATLAS krävde att vi utvecklade ny teknik för att få de mätningar som forskare behövde för att främja forskningen, sa Doug McLennan, ICESat-2 projektledare vid NASA:s Goddard Space Flight Center. "Det innebar att vi var tvungna att konstruera ett satellitinstrument som inte bara kommer att samla in otroligt exakta data, men kommer också att samla in mer än 250 gånger så många höjdmått som sin föregångare."

ATLAS kommer att avfyra 10, 000 gånger varje sekund, skickar hundratals biljoner fotoner till marken i sex strålar av grönt ljus. Rundturen av individuella laserfotoner från ICESat-2 till jordens yta och tillbaka är tidsbestämd till miljarddels sekund för att exakt mäta höjden.

Med så många fotoner som återvänder från flera strålar, ICESat-2 kommer att få en mycket mer detaljerad bild av isytan än sin föregångare, ICESat. Faktiskt, om de två satelliterna flögs över en fotbollsplan, ICESat skulle bara ta två mätningar – en i varje ändzon – medan ICESat-2 skulle samla in 130 mätningar mellan varje ändzon.

När den cirklar jorden från pol till pol, ICESat-2 kommer att mäta ishöjder längs samma väg i polarområdena fyra gånger om året, tillhandahåller säsongsbetonad och årlig övervakning av förändringar i ishöjden.

Spåra issmältning

Hundratals miljarder ton landis smälter eller rinner ut i haven årligen, bidrar till havsnivåhöjningen över hela världen. På senare år har bidrag av smälta från enbart Grönlands och Antarktis inlandsisar har höjt den globala havsnivån med mer än en millimeter per år, svarar för ungefär en tredjedel av den observerade havsnivåhöjningen, och takten ökar.

ICESat-2-data som dokumenterar den pågående höjdförändringen av isar kommer att hjälpa forskare att begränsa osäkerhetsintervallet i prognoser för framtida havsnivåhöjning och koppla dessa förändringar till klimatförare.

ICESat-2 kommer också att göra de mest exakta polar-wide mätningarna hittills av havsis fribord, som är höjden av havsis över den intilliggande havsytan. Denna mätning används för att bestämma tjockleken och volymen av havsis. Satelliter mäter rutinmässigt det område som täcks av havsis och har observerat en minskning av det arktiska havsisområdet med cirka 40 procent sedan 1980, men exakt, Mätningar av havsisens tjocklek över hela regionen kommer att förbättra vår förståelse för drivkrafterna bakom havsisens reträtt och förlust.

Även om flytande havsis inte ändrar havsnivån när den smälter, dess förlust får olika konsekvenser. Den ljusa arktiska inlandsisen reflekterar solens värme tillbaka ut i rymden. När den isen smälter bort, det mörka vattnet nedanför absorberar den värmen. Detta förändrar vind- och havscirkulationsmönster, potentiellt påverka jordens globala väder och klimat.

Bortom stolparna, ICESat-2 kommer att mäta höjden på hav och landytor, inklusive skogar. ATLAS är designad för att mäta både trädtopparna och marken under, som – i kombination med befintliga datamängder om skogens utbredning – kommer att hjälpa forskare att uppskatta mängden kol som lagras i världens skogar. Forskare kommer också att undersöka höjddata som samlats in på havsvågor, reservoarnivåer, och stadsområden.

Potentiella dataanvändare har arbetat med ICESat-2-forskare för att koppla missionsvetenskapen till samhälleliga behov. Till exempel, ICESat-2-mätningar av snö och flodhöjder kan hjälpa lokala myndigheter att planera för översvämningar och torka. Skogshöjdskartor, visar trädens täthet och struktur, kan förbättra datormodeller som brandmän använder för att förutse beteende vid en löpeld. Havsistjockleksmätningar skulle kunna integreras i prognoser för den amerikanska flottan för navigering och havsisförhållanden.

"Eftersom ICESat-2 kommer att ge mätningar av oöverträffad precision med global täckning, det kommer inte bara att ge ny insikt om polarområdena, men också oväntade fynd över hela världen, sa Thorsten Markus, en ICESat-2-projektforskare på Goddard. "Kapaciteten och möjligheten till verklig utforskning är enorm."

ICESat-2 är planerad att starta den 15 september från Vandenberg Air Force Base i Kalifornien.