Varane periood on pilveväljade ja pilvise taeva kiirgusvälja muutlikkuse uurimine Ülo Mullamaa töörühmas. Osales lennukimõõtmistel ja rahvusvahelises eksperimendis TROPEX-74. Nende uuringute tulemusena valmis kandidaaditöö "The Structure of Cloud Fields and Radiation Regime at the Ground Surface." (Структура полей облачностьи и радиационный режим у подстилающей поверхности), juhendaja Ülo Mullamaa, kaitstud Geofüüsika Peaobservatooriumis Leningradis 1979. a.
Edasi jätkus teadustöö Juhan Rossi ja Tiit Nilsoni taimkatte kiirguslevi ja kaugseire alaste uuringute töörühmas. A.K. töötas välja taimkatte peegeldumise opositsiooniefekti teooria. Opositsiooniefekt kujundab Saturni rõngaste ja Kuu faasikõveraid. Saturnirõngaste faasikõverate kvantitatiivne teooria sfääriliste osakeste eeldusel valmis Seeligeril juba 19. sajandi lõpus. Apollo programmiks valmistudes arendati poorse keskkonna opositsiooniefekti teooria (Hapke, Lumme). Taimkatte struktuur on sedavõrd erinev, et kumbki neist teooriaist ei ole rakendatav taimkatte kiirguslevi kirjeldamisel. A.K. töötas välja taimkatte peegeldumise opositsiooniefekti kvantitatiivse teooria lähtudes Rossi-Nilsoni taimkatte plaatkeskkonna mudelist. Opositsiooniefekti teooria on A.K. doktoritöö põhisisuks: "The Hot Spot Effect in Plant Canopy Reflectance." Kaitstud Tartu Ülikoolis 1991. a. - DSc in Geophysics.
Selle teooria väljatöötamise ajal sai teooria paikapidavust kontrollida ainult kaudselt, mõõtes taimkatte peegeldumisindikatrisse. Maapealsete laserskannerite kasutamine metsa struktuuri mõõtmisel tegi 40 aastat hiljem võimalikuks selle teooria otsese kontrolli.
A.K. väljatöötatud opositsiooniefekti mudel on oluline komponent koostöös Tiit Nilsoniga välja töötatud taimkatte peegeldumise mudeleis. A.K. hot-spoti mudel on kaasatud rohketes taimkatte kiirguslevi mudelites kogu maailmas.
A.K. uurimistöös on olnud kesksel kohal taimkatte kiirguslevi ja peegeldusmudelite loomine, nende arendamiseks ja kontrolliks mõõtmisandmete kogumine. Koostöös Tiit Nilsoniga ja üksinda on loodud taimkatte peegeldusmudelite seeria:
homogeense taimkatte monokroomne peegeldusmudel, Nilson & Kuusk 1984;
multispektraalne homogeense taimkatte peegeldusmudel, Kuusk 1994;
metsa peegeldusmudel, Kuusk & Nilson 2000;
kahekihiline homogeense taimkatte peegeldusmudel, Kuusk 2001;
metsa peegeldusmudeli edasiarendus, Kuusk, Kuusk, Lang 2014;
statistiline metsa peegeldusmudel, Kuusk, Kuusk, Lang 2019.
Tartu Observatooriumis loodud taimkatte kiirguslevi mudelitega on A.K. osalenud rahvusvahelises taimkatte kiirguslevi mudelite võrdluses RAMI ning A.K. juhtimisel valmis kolme Järvselja puistut kirjeldav andmebaas, millest kaks puistut valiti RAMI neljanda ja viienda faasi testobjektideks.
Taimkatte kiirguslevimudelite kontrolliks ja edasiarendamiseks on A.K. eestvedamisel ja osalusel loodud spetsiaalset kiirgusmõõtmiste aparatuuri ning tehtud rohkesti mõõtmisi maismaal, lennukeil/koptereil, satelliitidel. Põllukultuuride ja rohumaa kõrge nurklahutusega peegeldumisindikatrisside mõõtmiseks valmis väligoniomeeter. Joel Kuusk ehitas A.K. juhendatud doktoritöö käigus lennukispektromeetrite ja indikatrissimõõtjate seeria UAVSpec. UAVSpec spektromeetritega helikopterimõõtmised olid atmosfäärialuseks toeks ESA eksperimentaalsatelliidi PROBA ja kõrglahutuse satelliidi WorldView-2 Järvselja satelliidimõõtmiste tugiala mõõtmistel. UAVSpec mõõtmised Järvselja metsade kohal näitasid, et metsade heledus punases spektriosas on seniarvatust väiksem. See uus teadmine muutis kogu maailmas kasutatavat tumeda objekti meetodit satelliidipiltide atmosfäärikorrektsioonil.
A.K. osalusel valminud taimkatte peegeldusmudelid on olnud füüsikaliseks baasiks taimkatte kaugseirel -- spektraalsete kiirgusmõõtmiste andmetest taimkatte parameetrite hindamine peegeldusmudelite pöördülesande lahendamise abil. Satelliitkaugseire korral on oluline atmosfääri mõju elimineerimine. Selleks vajalike mõõtmisandmete saamiseks ehitas Joel Kuusk spektromeetri Skyspec, mis on juba 9 aastat mõõtnud Järvseljal SMEAR jaama juures kogu vegetatsiooniperioodi kestel summaarse ja difuusse kiirguse spektreid, mis on vajalikud atmosfääri parameetrite hindamiseks, et teha satelliidiandmete atmosfäärikorrektsiooni.
Taimkatte spektraalsete signatuuride ja indikatrisside mõõtmisel on oluline osa kiirgusmõõtmiste metroloogial. UAVSpec mõõtmisandmetega, mis on tehtud samaaegselt satelliidi PROBA ülelennuga, on kaliibritud PROBA kujutise spektromeetrit CHRIS. Skyspec spektromeetreist kasvas välja Joel Kuuse spektromeetrite seeria ja võrgustik HYPERNETS, et pakkuda aluspinna peegeldusteguri valideerimisandmeid kõigile optilises spektripiirkonnas töötavatele kaugseiresatelliitidele. Spektraalsete lennukimõõtmiste kaliibrimiseks valmis Järvseljal ilma eest kaitstud 10-meetrine etalon. Taimkatte struktuuri ja kiirgusrežiimi uurimisel on palju aastaid olnud kasutusel taimkatte analüsaator LAI-2000 ning poolsfäärifotod. A.K. tööd on kaasa aidanud niisuguste mõõtmiste metroloogia parendamisele.
Viimastel aastatel on saanud kättesaadavaiks maapealsed laserskannerid ning need on leidnud kasutamist ka metsade struktuuri uurimisel. Mõõtmisandmeid on kogunud A.K. nooremad kolleegid, aga kogutud punktipilvedest on olulise informatsiooni välja meelitanud A.K. - puude paiknemise muster metsas, puu tüve profiil, nähtavus metsas, kiirguslevi jaoks oluliste metsa võrastiku läbipaistvuse ja puulehtede kaldenurkade jaotuse mõõtmine, opositsiooniefekti mudeli kontrollimine.
A.K. on osalenud TÜ ja EMÜ õppetöös -- loengukursused 'Kiirguslevi', 'Juhuslike funktsioonide teooria', 'Looduslikud energiaressursid', 'Geoinfosüsteemid', juhendanud bakalaureusetöid, olnud lektoriks Soome kaugseireloengutel (Lecturer at the Graduate school for forest ecology "Physical Models in Remote Sensing") 2004 Tikkurilas ja 2007 Viikkis. Oli 11 aastat ajakirja 'Agricultural and Forest Meteorology' toimetuskolleegiumi liige ning 1999-2005 ajakirja 'Agronomie. Agriculture and Environment' erialatoimetaja.
Sihiteema juht, osakonnajuhataja, grandihoidja, TO nõukogu liige jms. ResearchGate andmetel tsiteerimisi 4388, h-indeks 31 (9.11.2022).
A.K. on kirjutanud atmosfääri optilistest nähtustest Horisondis ja Eesti Looduses ning kogumikus 'Universum valguses ja vihmas'. Ta on avaldanud kirjutisi Tartu Tähetorni kalendris, Sirbis, Eesti kaugseirekogumikes, kogumikus 'Teadusmõte Eestis' ning ta on osalenud Vikipeedia artiklite loomisel. Tõlkis eesti keelde Rooma Klubi aruande 'Kasvu piirid'.