Julkaistu: 9. syyskuuta 2008

Auringonsäteilystä, fotosynteesistä, kaukokartoituksesta ja metsätaloudesta

Tiit Nilson

Helsingin yliopiston maatalous-metsätieteellisen tiedekunnan 100-vuotisjuhlapromootiossa kesäkuun alussa 2008 vihittiin kunniatohtoriksi professori Tiit Nilson Tarton observatoriosta. Vuonna 1939 syntynyt tiedemies on kansainvälisesti arvostettu tutkija; yhteistyö hänen tutkimusryhmänsä ja suomalaisten metsä- ja ympäristöfysiikan tutkijoiden välillä jatkuu yhä. Seuraavassa uusi kunniatohtori kertoo elämästään ja työstään.

Kävin kouluni pienessä Viljandin kaupungissa sodanjälkeisinä vuosina, jolloin kaikesta oli puutetta. Stalinistista ideologiaa vyörytettiin kaikille elämänaloille, myös koululaitokseen. Kaikesta huolimatta saimme hyvän koulusivistyksen erityisesti luonnontieteissä. Ne olivatkin tuolloin varsin suosittu opiskeluala. Varmasti myös lukiomme karismaattisilla matematiikan ja fysiikan opettajilla oli osuutensa siihen, että syksyllä 1958 päätin lähteä Tarton yliopistoon opiskelemaan matematiikkaa.

Opiskellessani neljännellä vuosikurssilla puheilleni saapui energiseltä vaikuttanut mies, joka esittäytyi Juhan Rossiksi. Hän ehdotti, että voisin alkaa perehtyä säteilynsiirron yhtälöiden ratkaisemiseen hänen ohjauksessaan. Koska en tiennyt säteilynsiirron yhtälöistä tuon taivaallista, koetin ennen vastaamista hieman perehtyä siihen, mistä oli kysymys. Sain selville, että tähtitieteilijät ja geofyysikot käyttävät näitä yhtälöitä kuvatessaan säteilyn kulkua tähtien ja planeettojen kaasukehissä, ydinfyysikot puolestaan tutkiessaan neutronien diffuusiota.

Juhan Rossin ajatuksena oli alkaa kuvata samojen yhtälöiden avulla auringonsäteilyn leviämistä kasvillisuudessa. Päätin tarttua Rossin tarjoamaan tilaisuuteen ja siirryin töihin tuolloiseen Fysiikan ja astronomian instituuttiin. Hieman myöhemmin instituutin astronomiaa ja ilmakehän fysikaalisia ilmiöitä tutkivat osastot muuttivat Tartosta läheiseen Tõravereen, jonne juuri rakennettiin uutta observatoriota (nykyinen Tarton observatorio).

Instituutissa toiminutta ilmakehän fysiikan työryhmää johti samainen Juhan Ross ja siihen kuului joukko nuoria ja lahjakkaita miehiä ja naisia, joita yhdisti fysiikan alan koulutus. Syvennyin aluksi intialaisen fyysikon Subrahmanyan Chandrasekharin sittemmin klassikon asemaan nousseeseen monografiaan säteilyn siirtymisestä.

Olin tehnyt yliopiston lopputyöni kasvien säteilynsiirron yhtälön ratkaisemisesta. Yhtälön käyttäminen kasviston tutkimuksessa tuntui ensi alkuun kummalliselta ajatukselta, ovathan kasvien lehdet täysin eri suuruusluokkaa kuin molekyylit ja ilmakehän hiukkaset. Jotta säteilynsiirron teoriaa voisi ylipäätään soveltaa, oli kyettävä kuvaamaan kasvistoa optisessa mielessä. Aikamme pähkäiltyämme onnistuimmekin siinä. Käyttöön otettiin sellaisia asiantuntijoiden nykyään hyvin tuntemia käsitteitä kuten kasvien lehtialaindeksi, mutta myös huomattavasti monimutkaisempia suureita, jotka kuvaavat kasvien lehtien sijaintia tilassa. Jonkin ajan kuluttua osasimme jo ratkaista säteilynsiirron yhtälöitä approksimaatiomenetelmillä ja pystyimme tekemään laskelmia säteilyn absorboitumisesta ja hajoamisesta kasvistossa. Tästä aiheesta laadin myös kandidaatinväitöskirjani (vastaa nykyistä tohtorin tutkintoa) Tarton yliopistoon vuonna 1968 sekä vuosia myöhemmin (1991) jo vapaassa Virossa tohtorinväitöskirjani geofysiikan alalta.

Varhaisemmista julkaisuistani näihin asti siteeratuin lienee vuonna 1971 julkaistu artikkeli, jossa muun muassa esitetään, millä tavalla lehtipinta-alan jakautuminen tilassa vaikuttaa auringonsäteilyn heikkenemiseen kasvistossa. Hajanaisesti sijoittuneet lehdet vaikuttavat eri tavalla kuin ryhmissä olevat; esimerkiksi havupuiden versoihin kasaantuneet neulaset varjostavat väistämättä vahvasti toisiaan. Vuonna 1977 julkaisin laajemman tieteellisen artikkelin säteilyn heikkenemisen lainalaisuuksista metsässä. Siinä onnistuin selvästi erittelemään, kuinka latvusten muodot ja puiden sijainti metsässä vaikuttavat säteilyn pääsyyn metsän alaosiin ja heijastumiseen metsästä.

Tämä on kuitenkin tieteellisessä mielessä vain asian toinen puoli. Juhan Ross otti aikoinaan koko asian tutkittavaksi fyysikoiden liki mielipuoliselta kuulostavan idean perusteella: nämä uskoivat, että on mahdollista jalostaa kasveja, jotka imevät itseensä auringonsäteilyä paremmin kuin luonnossa jo esiintyvät kasvit, ja näin kyetään parantamaan viljelykasvien ja miksei muunkin kasvillisuuden tuottavuutta. Viljelykasvien tuottavuus oli tuolloin Neuvostoliitossa merkittävä tutkimusaihe – siinä haluttiin päihittää amerikkalaiset.

Kuten tunnettua, kaikki biologinen tuotanto perustuu kasvien vihreissä lehdissä tapahtuvaan fotosynteesi- eli yhteyttämisprosessiin, jonka energianlähteenä toimii auringonsäteily. Kasvifysiologit olivat tuolloin jo havainneet, että kasvinlehden fotosynteesin intensiivisyys riippuu lehteen absorboituneesta säteilystä epälineaarisesti, mikä tarkoittaa, että tietystä valon intensiivisyydestä alkaen fotosynteesi ei enää voimistu, vaan vihreän lehden hyödyntämä hiilidioksidimäärä jää samalle tasolle. Näin ollen koko kasviston tuottavuuden kannalta merkityksellistä ei ole ainoastaan se, kuinka paljon kasvien lehdet yhteensä imevät säteilyä, vaan myös se, millä tavoin imeytyminen jakautuu eri lehtien kesken. Me halusimme selvittää, millainen kasvien ja kasvillisuuden rakenteen tulisi olla, jotta päästäisiin mahdollisimman suuriin tuotantolukuihin.

Tutkimustyömme ei koskaan johtanut odotettuun maataloustuotannon vallankumoukseen, mutta sen sijaan uudesta lähestymistavastamme oli hyötyä monien luonnonilmiöiden syy-yhteyksien selvittämisessä. Maksimaalisen tuotannon ajatukselle on ollut käyttöä myöhemminkin – toisin sanoen, jossakin määrin puolitiehen jäänyt alkuperäinen tavoite on johtanut aivan toisenlaisten ongelmien ratkaisemiseen. Olemme soveltaneet samaa perusajatusta moneen otteeseen myös myöhemmässä yhteistyössämme suomalaisten kollegoiden kanssa.

Kuka sitten olikaan opettajani ja kollegani Juhan Ross? Hän oli yksi monista sota-ajan riepottelemista miehistä, joiden oli myöhemmin alistuttava kommunistien sortotoimiin. Nuori Ross halusi välttää Saksan armeijan riveihin joutumisen ja matkasi siksi salaa Suomeen, jossa liittyi jalkaväkirykmentti JR200:aan ja taisteli Karjalassa. Rintaman murruttua hän päätti palata Viroon. Kotiin palannutta Rossia ei vangittu ja hän pääsi jopa opiskelemaan Tarton yliopistoon, jossa erikoistui teoreettiseen fysiikkaan.

Myöhemmin vallanpitäjät kuitenkin pääsivät jyvälle hänen taustoistaan eikä yliopistosta erottaminen ollut tämän takia kaukana. Lopulta Ross lähetettiin ”rangaistuksena” mittaamaan auringonsäteilyä tuolloiselle Tarton aktinometriasemalle. Kohtalon ivaa on, että tästä työstä tuli Rossin menestyksen avain. Vielä tunnustettuna tiedemiehenäkin Rossilla oli vaikeuksia kommunistivallan kanssa eikä häntä esimerkiksi päästetty pitkiin aikoihin ulkomaille edes tiedekonferensseihin. Yhtäkkiä kuitenkin tarjoutui mahdollisuus yhteistyöhön suomalaisten tutkijoiden kanssa.

Pertti Hari ja Tiit Nilson

Pertti Hari ja Tiit Nilson (oik.) yhteishankkeen kenttätöissä Muddusjärven tutkimusasemalla Lapissa vuonna 1986.

Leningradissa järjestettiin vuonna 1975 botaniikkakongressi, johon oli kutsuttu myös ulkomaalaisia osallistujia, heidän joukossaan ryhmä suomalaisia (mm. Pertti Hari ja Olavi Luukkanen Helsingin yliopistosta). Juhan Ross, joka vanhana Suomen-poikana osasi erinomaisesti suomea, kävi esittäytymässä heille – ja tästä tervehdyksestä sai alkunsa kestäväksi osoittautunut yhteistyömme. Alusta pitäen yhteistyöverkostoon liittyi myös Leo Kaibiainen Karjalan metsäinstituutista Petroskoista.

Tiettyjen byrokraattisten kiemuroiden jälkeen yhteistyö saatiin vuonna 1981 virallistettua Suomen Akatemian ja Neuvostoliiton tiedeakatemian viisivuotiseksi yhteistyöhankkeeksi nro 12 nimeltään Puiden ekofysiologia ja taigavyöhykkeen metsien energia- ja massavaihto. Käytännössä samansisältöinen hanke sai vielä viiden vuoden jatkoajan, joten yhteensä teimme täyden vuosikymmenen virallista yhteistyötä.

Hankkeen suomalaiset osallistujat olivat pääosin Helsingin yliopiston maatalous-metsätieteellisen tiedekunnan ja Joensuun yliopiston metsätieteellisen tiedekunnan tutkijoita. Yhteinen idea, joka tuolloin liitti meidät yhdeksi joukkueeksi, oli ajatus fysikaalis-matemaattisten metodien soveltamisesta metsäntutkimukseen ja biologisten prosessien kuvaukseen sekä kvantitatiivisten mallien laatimisesta metsään tulevan auringonsäteilyn ja siihen erottamattomasti liittyvän kasvien fotosynteesin ja kasvun laskemiseksi.

Neuvostoliitto oli tuolloin jäänyt auttamattomasti lännestä jälkeen kaikkien teknisten laitteiden osalta. Yhteistyön ansiosta mekin pääsimme käyttämään esimerkiksi uutta tietotekniikkaa ja säteilymittareita, joita ehdottomasti tarvittiin tehtäessä säteilymittauksia metsissä. Uskon silti, että myös meillä oli tarjottavaa suomalaisille kollegoillemme. Joka tapauksessa suurin osa yhteistyöhankkeemme osallistujista on nyt edennyt professoriksi asti ja tuntuisi mukavalta ajatella, että yhteistyöllämme on ollut tähän jonkinasteinen suotuisa vaikutus.

Yhteishankkeen ansiosta saatoimme siis ajanmukaistaa teknisiä laitteistojamme, mutta yhtä lailla merkittävää oli yhteistyön avaama, tuolloin ainutlaatuinen mahdollisuus käydä vuosittain Suomessa. Suomalaiset hankepartnerit puolestaan tekivät vierailuja Viroon ja Karjalaan. Matkojen aikana teimme runsaasti kenttätöitä. Mittasimme auringonsäteilyä ja tutkimme metsien rakennetta ja kasvifysiologiaa Suomessa (Hyytiälässä, Mekrijärvellä ja kerran myös Lapissa Muddusjärvellä) ja Karjalan metsäinstituutin metsäasemalla Kenttäjärvellä. Virossa sen sijaan emme saaneet tuolloin tehdä kenttätöitä yhdessä ulkomaalaisten kanssa.

Meidän vastuullamme olivat hankkeen vuosittaiset ns. koordinaationeuvottelut, joihin kuului osapuolten tieteellisiä alustuksia hankkeen aihepiiristä sekä yhteistyön tulevan sisällön suunnittelua. Ilmeisesti KGB pystyi kontrolloimaan tilannetta helpommin, kun neuvottelut pidettiin Virossa (Tallinnassa, Tartossa, Viljandissa ja Pärnussa). Se, että meitä seurattiin, oli ilmiselvää. Suomalaisten ja karjalaisten kollegojen kesken kutsuimme aika ajoin keskuudessamme hääränneitä KGB:n toimijoita geologeiksi. Heistä riitti vitsin aihetta koko hankkeen ajaksi. Nykyajan näkökulmasta tuntuu uskomattomalta myös se, että matkat Virosta tai Karjalasta Suomeen täytyi aina tehdä Moskovan kautta.

Yhteistyömme jatkui myös virallisen hankkeen päätyttyä. Maanpinnan kaukokartoituksesta oli tällä välin tullut uusien satelliittien laukaisun myötä erittäin ajankohtainen aihe. Varsin pitkälle kehittämämme säteilynsiirron teoria kasveissa osoittautui tässäkin yhteydessä hyödylliseksi. Sen avulla kyettiin laskemaan teoreettisesti, kuinka paljon eri tyyppisten kasvillisuuspeitteiden tulisi heijastaa auringonsäteilyä ja kuinka vaaleina ne näkyvät satelliittikuvissa. Syntyi mahdollisuus arvioida satelliittikuvien perusteella mm. kasvillisuuden terveydentilaa ja monia kasvillisuutta kuvaavia parametreja. Jopa Nasa käyttää edelleen eräitä tuolloin laatimiamme teoreettisia kaavoja analysoidessaan satelliittikuvia.

Samaan aikaan elämä Neuvostoliitossa alkoi hiljalleen vapautua Gorbatšovin uudistusten ansiosta ja pian Viro palautti itsenäisyytensä. Seuraavat vuodet olivat tieteen kannalta erittäin vaikeita alituisen rahapulan takia. Houkutus lähteä töihin ulkomaille, jossa taloudelliset ja tekniset mahdollisuudet olivat toista luokkaa, kasvoi suureksi. Monet kollegani lähtivätkin – ja ovat päätyneet esimerkiksi arvostetuiksi tiedemiehiksi Nasaan.

Itse työskentelin professori Paavo Pelkosen kutsumana Joensuun yliopistossa kolme kuukautta vuonna 1989 sekä lyhyen aikaa Wisconsinin yliopistossa Yhdysvalloissa, mutta pidemmäksi aikaa en Virosta lähtenyt.

Sen sijaan ryhdyimme entistä tiiviimpään yhteistyöhön Helsingin yliopiston professorin Pauline Stenbergin kanssa. Meillä on jo pitkään ollut yhteisiä tutkimusaiheita tieteenalallamme, viime aikoina päähuomiomme on keskittynyt metsien kaukokartoituksen teoreettisiin perusteisiin. Työn tuloksena on syntynyt koko joukko yhteisiä tieteellisiä artikkeleita. Olemme järjestäneet vuosittain suomalais-virolaisia kaukokartoitusseminaareja jo hyvän aikaa, vuoron perään Suomessa ja Virossa.

Suomennos Petteri Aarnos
Tuglas-seuran jäsenlehti 4/2008