Ross ise oli 1956. a. juba kandidaadikraadi kaitsnud ja leidis peagi, et need teemad jäävad talle tulevaseks doktoritööks kitsaks ja ehk ka lahjaks. Tekkis huvi taimkatte kiirgusrežiimi vastu, esimeseks selles suunas katsetajaks oli olnud Heino Tooming, kes oli juba oma kandidaaditöö tarvis mõõtnud looduslike pindade, sh taimkatte albeedot. Soovitajateks taimkatte teemaga süvitsi tegelemiseks olid vene kolleegid, nt aadliperekonnast pärit ja väga laia silmaringiga vene aktinomeetriliste riistade konstrueerija J. Janiševski. Ehk kõige olulisem suuna kujundaja oli Moskva akadeemiku A. A. Nitšiporovitši teema püstitus. Nitšiporovitši põhiidee oli, et tuleb välja selgitada kvantitatiivsed seaduspärasused, kuidas päikesekiirgus taimkattes neeldub ja kuidas taimkatte struktuur (eelkõige lehtede kaldenurgad) seda neeldumist mõjutab. See omakorda aitaks välja selgitada, millise struktuuriga taimed neelavad päikesekiirgust kõige efektiivsemalt just fotosünteesi seisukohalt ja hakata sealtkaudu selektsiooni teel kujundama uusi, kõrgema produktiivsusega taimi.
 |
| Ekspeditsioon Jõgeval. |
Teadussund, mida Juhan Ross hakkas 1960. aastatel nimetama fütoaktinomeetriaks ehk taimkatte aktinomeetriaks, kasvas välja vajadusest uurida päikesekiirguse levikut taimestikus. Fütoaktinomeetria probleeme hakati uurima laial rindel nii teoreetiliselt kui ka korraldati päikesekiirguse mõõtmisi taimkattes. Alguses maisipõldudel, sest mais oli tänu tolleaegsele parteijuhile Nikita Hruštšovile väga aktuaalne ja ta sobis mõõtmisteks oma parajalt suurte lehtede ja kõrguse poolest. Mõõtmisteks kasutati esialgu standardseid aktinomeetrilisi mõõteriistu, nt püranomeetreid. Hiljem järgnesid juba omakonstrueeritud kiirgusvastuvõtjad. H. Niilisk, H. Tooming jt ehitasid spetsiaalsed latid, millele sai taimkattes panna liikuma kiirgusvastuvõtjad, kusjuures lati kõrgust sai muuta. Niiviisi saadi mõõta keskmisi kiirgusvoogusid erinevatel kõrgustel taimkatte sees. Tekkis vajadus mõõta fotosünteetiliselt aktiivset kiirgust (PAR), aga püranomeetrid teatavasti mõõdavad kogu lühilainelist e. integraalset kiirgust. H. Tooming tuletas meetodi, kuidas integraalse kiirguse mõõtmistulemustest ligikaudu tuletada PAR’i piirkonna suurusi. Atmosfäärifüüsika sektoris oli selleks ajaks välja kujunenud väga tubli ja kompetentne riistaehitajate seltskond (J. Reemann, H. Niilisk, M. Sulev, A. Laisk, H. Moldau) ja osavad töömehed konstrueeritud riistu valmistama (Mart Tiisler, hiljem Tõnu Prans). H. Niilisk konstrueeris esimese fotomeetrilise lati päikese otsese kiirguse läbituleku mõõtmiseks ja vahetatavate interferentsfiltritega spektraalse mõõduriista, mille abil sai PAR’i piirkonna kiirgusvood leida viies kitsamas spektripiirkonnas mõõdetud kiirgusvoogude ligikaudse integreerimise teel üle spektri. Jüri Reemann konstrueeris aktinomeetriajaama tarvis elektroonilisi integraatoreid, püranomeetreid, bilansomeetreid. Hiljem ehitasid neid veel Arvo Leitu ja Hillar Sibul.
 |
| Nn. kaldnõel taimkatte struktuuri uurimiseks. Vasakult Agu Laisk, Herbert Niilisk, Eduard Lemon, Olev Avaste ja Juhan Ross. |
Lisaks mõõdeti suviste välitööde käigus põldudel taimkatte struktuuri kirjeldavaid suurusi, nagu lehepindala ja selle vertikaalset jaotust, lehtede kaldenurkade jaotust jms (T. Nilson, V. Ross, hiljem H. Mägi EPA-st). Ka selleks konstrueeriti mitmeid originaalseid abivahendeid, nagu lehtede kaldenurkade ja asimuudi määramise seade (A. Laisk) ja nn kaldnõel, millega uuriti mitme aasta jooksul põllukultuuride struktuuri statistilisi seaduspärasusi ja läbipaistvuse suundolenevust. Hiljem lisandusid neile meetoditele veel taimkatte läbipaistvuse mõõtmise optilised meetodid, sealhulgas A. Laisa poolt konstrueeritud originaalne läbipaistvuse analüsaator e. hiir ja poolsfäärifotode analüüsi metoodika. Viimane pärast seda, kui Tõraveret külastas Dr Margaret Anderson Austraaliast CSIRO-st, kes kinkis meile nn kalasilmaobjektiivi. Kiiresti jõuti veendumusele, et kiirgusväli taimkattes on äärmiselt muutlik, seda nii ruumiliselt kui ka ühes punktis ajaliselt ja seda kujundab oluliselt taimkatte läbipaistvus. Oli selge, et kiirgusvälja taimkattes peab uurima statistiliste meetoditega. Agu Laisk konstrueeris originaalse analüsaatori, mis võimaldas saada mõõtmistest põllul otse kiirgusvoogude jaotusseaduse. Selgus, et tüüpiline kiirgusvoogude jaotusseadus taimkatte sees on bimodaalne (kahe maksimumiga), millest üks vastab päikeselaikudele ja teine lehtede varjus olevatele aladele.
Korraldati rida ulatuslikke välimõõtmisi põldudel, peamiselt maisipõldudel, millest olulisemad on ekspeditsioonid Jõgeval (1963), Moldovas (1964) ja Tadžikimaal (1965).
Heino Moldau hakkas uurima taimelehtede optika seaduspärasusi, konstrueeris ja ehitas valmis spektrogoniomeetri taimelehtede peegelduse ja läbilaske suundolenevuse mõõtmiseks laboris. Tema mõõtmistulemused olid maailmas esimesi iseloomustamaks taimelehtede hajumisindikatrissi keerukat kuju. Sai kinnitust taimelehte katvalt vahakihilt kiirguse peeglilise (Fresneli) peegeldumise tähtsus selle hajumisindikatrissi kujundamisel.
 |
| Heino Moldau. |
Paralleelselt arendati taimkatte kiirgusvälja teooriat. J. Rossi algidee kirjeldada taimkatet kui teatud sumedat keskkonda osutus väga viljakaks. Sel juhul saab kiirguslevi kirjeldamiseks rakendada atmosfäärifüüsikast ja tähtede füüsikast tuntud kiirguslevi võrrandeid. Sisuliselt samad võrrandid kirjeldavad neutronite hajumist reaktorites ja olid sel ajal N. Liidus arusaadavalt vägagi tõsise huvi objektiks ning seetõttu oli see suund N. Liidus hästi arendatud. Taimkatte kiirguslevi võrrandil on siiski mitmed erinevused võrreldes kiirgusleviga atmosfääris. Tuli välja mõelda, kuidas leida kiirguslevi võrrandi olulisi suurusi nagu kiirguse neeldumis-, nõrgenemis- ja hajumistegureid ja hajumisindikatrissi taimkatte struktuuri ja lehtede optilisi omadusi kirjeldavate suuruste abil. Esialgu siis taimkatte kui optilise keskkonna kirjeldamine. J. Ross pani 1963. a. kirja kiirguslevi võrrandi taimkatte jaoks ja koos T. Nilsoniga hakkasid nad sellele keerukale integro-diferentsiaalvõrrandile lahendusi otsima. Tulemuseks olid mitmed ligikaudsed valemid taimkatte kiirgusvälja arvutamiseks. See lähenemine taimkatte kiirgusvälja kirjeldamisele kiirguslevi võrrandi kaudu on praegusajaks kujunenud üldtunnustatuks ja on teoreetiliseks aluseks mitte ainult kiirguse nõrgenemise ja neeldumise arvutamiseks taimkattes, vaid ka kiirguse peegeldumise teoreetiliseks rehkendamiseks, mis on kaasajal eriti oluline seoses kosmilise kaugseire rakendustega. T. Nilson leidis (1967), et ühel erijuhul, nimelt kui tegemist horisontaalsete ja mattide lehtedega taimkattega, on võrrandil olemas täpne lahend. See asjaolu võimaldas oluliselt paremini mõista kiirguse nõrgenemise ja hajumise peamisi seaduspärasusi taimkattes. Ka seda, et kiirgusväli taimkattes määratakse eelkõige lehestiku läbipaistvuse ja selle suundolenevuse kaudu.
 |
| Agu Laisk ja Vello Oja. |
Valdavaks teaduslikuks loosungiks sai füüsikaliste meetodite rakendamine bioloogias. Kui kiirguse nõrgenemise ja neeldumise peamised seaduspärasused taimkattes olid juba enam-vähem teada, selgus, et teadmised taimelehe fotosünteesist on kaugel sellest, et saaks rakendada füüsikalisi meetodeid. Leiti, et on vaja hakata ise mõõtma taimelehtede fotosünteesi.
Sellele teemale pühendas end Agu Laisk, temaga liitusid Heino Moldau, Vello Oja, hiljem Märt Rahi, Anu Reemann-Sõber, Jaak Sõber, Andres Karolin, jt. Agu Laisa eestvedamisel süveneti fotosünteesi biokeemiasse, ehitati originaalset aparatuuri taimelehtede fotosünteesi mõõtmiseks ja tuletati vastavaid teoreetilisi mudeleid. Taimelehe süsihappegaasi- ja veeauruvahetust kirjeldati füüsikaliste võrrandite abil, kus olulisteks suurusteks vastava gaasi kontsentratsioonide vahed ja takistused difusioonile. Mitmeid aastaid oli Tõraveres mõnevõrra paradoksaalne olukord, kus astronoomia observatooriumis tehti taimelehtede fotosünteesi süvauuringuid. Et aga tulemused olid väga head, siis tollane instituudi juhtkond toetas seda suunda.
Juhan Ross koostas esimesed taimkatte produktiivsuse kvantitatiivsed mudelid, mis baseerusid taimelehe fotosünteesi valguskõveratel ja nn kasvufunktsioonidel, mis kirjeldasid kuivaine juurdetulekut fotosünteesi protsessi tulemusena ning selle jaotumist taime eri organite vahel. Seda suunda arendasid edasi ka H. Moldau ja S. Bichele, tuues sisse fotosünteesi mudelisse taimelehe energiabilansi ja seose taime veerežiimiga.
Üritati ka lahendada algset Nitšiporovitši püstitatud probleemi taimelehtede optimaalsete kaldenurkade leidmiseks (H. Tooming, T. Nilson). Selgus, et kiirgust kasutavad kõige paremini ära sellised taimed, kus ülemised lehed on peaaegu vertikaalsed ja sügavamates kihtides lehed muutuvad järjest horisontaalsemateks. Maailmarevolutsiooni põllumajanduses selline teadmine siiski kaasa ei toonud.
Sellesuunaline mõtlemine viis H. Toominga ideele, et taimed looduses peaksid olema kohastunud teatud päikesekiirguse režiimile. T. Nilsoni abiga püstitasid ja lahendasid nad variatsioonülesande maksimaalse produktsiooni saamiseks. Sel ülesandel on lahend e. optimaalne kiirgusrežiim kenasti olemas kui hingamise intensiivsus oleneb fotosünteesi valguskõvera platoo kõrgusest ja vastavat kiirgust saabki tõlgendada kui kohastumiskiirgust. See suund osutus H. Toominga edasises teadlaskarjääris väga edukaks ja oli aluseks tema doktoritööle. Tõsi, oma maksimaalse produktiivsuse printsiibile baseeruvad peamised rakenduslikud tööd tegi ta juba Eesti Agrometeoroloogia Laboratooriumis (EAML), mis algul allus Geofüüsika Peaobservatooriumile Leningradis, hiljem aga Üleliidulisele Põllumajandusliku Meteoroloogia Instituudile Obninskis.
Siin tuleks kindlasti rääkida ka kiirguslevist statistiliselt ebaühtlases keskkonnas (nt rünkpilvedega atmosfäär), mida arendasid tollal atmosfäärifüüsika sektoris Ü.-A. Mullamaa, M. Sulev, A. Kuusk, H. Ohvril, V. Russak ja kosmiliste uurimiste sektoris G. Vainikko ja O. Avaste.
Üksteise järel kaitsesid kandidaadiväitekirju Heino Tooming ja Olev Avaste (1961), Helgi Niilisk (1962), Ü. Mullamaa, Jüri Reemann, Herbert Niilisk, Ilmar Undla, Agu Laisk (kõik 1965), Madis Sulev, Viivi Põldmaa-Russak, Heino Moldau (kõik 1966), Tiit Nilson (1968), Vello Ross (1969), Sirje Keevallik (1970). J. Ross kirjutas valmis oma venekeelse monograafia Taimkatte kiirgusrežiim ja arhitektoonika (ilmus 1975). J. Ross kaitses oma doktoritöö 1971. a. Rossi raamat tõlgiti inglise keelde ja see ilmus 1981, mille järel kujunes raamatust tõeline käsiraamat. Rossi doktoritööle järgnesid Olev Avaste ja Heino Toominga doktoritööd 1972. a. H. Tooming oli ilmselt esimene füüsik N. Liidus, kes kaitses bioloogiadoktori kraadi. N. Liidu ajal kaitsesid doktorikraadi veel A. Laisk (1975), Ü.-A. Mullamaa (1982) ja H. Moldau (1985) ning kandidaadikraadi V. Oja (1972), A. Kallis (1974), M. Rahi (1975), H. Ohvril (1977), A. Kuusk (1979), A. Maršak (1983), A. Sõber (1984), J. Knjazihhin (1985). Neist A. Maršak kuulus Juhan Rossi sektorisse ja J. Knjazihhin kosmiliste uurimuste sektorisse.
 |
| Mõõtmistest väsinud teadlane Tiit Nilson. |
Välitöödes osales hulk inimesi (T. Nilson, A. Kuusk, J. Anniste, tollal veel tudengina J. Praks (nüüd juba aastaid Soomes Aalto Ülikoolis), M. Vari jt. Mõõdeti kiirgusvoo läbitulekut metsa alla ja peegeldumist aluspinnalt neljas spektri piirkonnas. Objektideks metsad Järvseljal ja mujal Eestis, hiljem ka mitmel pool Rootsis ja Prantsusmaal. Mõõtmistulemused küll kinnitasid teoreetiliste mudelite poolt ennustatud seaduspärasusi, kuid samas ilmnesid ka olulised kvantitatiivsed erinevused. Viimane asjaolu sundis pidevalt täiustama meie taimkatte peegeldusmudeleid. 2002. a. tuletas T. Nilson algoritmi metsa tõelise lehepinnaindeksi leidmiseks taimkatte analüsaatori mõõtmistulemustest, mis baseerub tema tuletatud metsa läbipaistvuse mudelil. M. Lang jt (2010) töötasid välja eeskirja, kuidas saab digitaalseid poolsfäärifotosid kasutada lehepinnaindeksi hindamiseks vähemalt sama hea kvaliteediga kui seda teeb LAI-2000 analüsaator. Peamiseks uudseks momendiks oli taeva heleduse suundolenevuse mõõtmine samalt analüüsitavalt pildilt.
Jätkus intensiivne rahvusvaheline koostöö.
 |
| Energiavõsalt peegeldunud kiirgust mõõdab Matti Mõtus ja spektraalset valgustatust Madis Sulev. |
Esinduslikul kaugseirekonverentsil Pekingis käis 1996. a. kolmeliikmeline delegatsioon - J. Ross, T. Nilson ja A. Kuusk, viimane töötas Pekingi Geograafia instituudis kaks nädalat. Rahvusvaheline koostöö edenes ka teaduskaadri osas. 2007. a. tuli kaheks aastaks tööle taimkatte seire töörühma Soome Akadeemia järeldoktor Miina Rautiainen. Aasta hiljem tuli järeldoktorina taimkatte seire töörühma Pariisis doktoritöö kaitsnud Tuneesia kiirguslevi teadlane Abdelaziz Kallel, uurimisteemaks sai energia jäävus taimkatte peegeldusmudeleis. EstSpacE projekti poolt rahastatuna liitus 2009. a. taimkatte kaugseire töörühmaga Dr. Jan Pisek Toronto Ülikoolist. J. Piseki initsiatiivil on töörühmas tehtud mitmeid edukaid uurimusi mitme-suuna kaugseire rakenduste alal. Samuti on ta olnud eestvedajaks uute uurimismeetodite rakendamisele puulehtede kaldenurkade jaotusseaduse ja nn klasteriseerumisindeksi mõõtmiseks fotograafiliste meetoditega, aga samuti metsa alustaimestiku peegeldusspektrite sesoonse muutlikkuse uurimisel.