乔琳·罗素（Joellen Russell）在一次新西兰以南的考察中，对于在她研究船上拍打的10米高的海浪毫无准备。“每次我们翻滚进水山时，都感觉船会被压碎，” 图森市亚利桑那大学的海洋建模师罗素回忆道。有一次，她几乎被一道巨浪卷入海中。
但真正让她震惊的是来自分析海水的传感器的流数据。当船倾斜和呻吟时，她意识到海洋表面氧气含量低，碳含量高且酸性极强——令人惊讶的迹象表明，通常在深海中发现的富含营养的水已经到达了表面。事实证明，罗素正乘着几个世纪以来没有暴露在大气中的古老水域的波浪。
尽管她在1994年遇到它时颇具争议，但这种强大的上升流现在被认为是南大洋的标志，这是一个围绕南极洲旋转的神秘野兽，由世界上最强劲的持续风驱动。南大洋从大气中吸收大量的二氧化碳和热量，这减缓了全球变暖的速度。其强大的洋流推动了全球大部分的海洋环流。
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恶劣的条件使海洋学家们在过去几十年里望而却步，但现在一个新的科学时代正在到来。来自世界各地的研究人员正在使用浮标、系泊、船舶、滑翔机、卫星、计算机模型，甚至装有传感器的海豹汇集到该区域。目标是弥补巨大的数据缺口，并加强对南大洋和全球气候如何运作的理解。这样做可能是改进对世界变暖速度、南极冰盖将存活多久以及海平面将上升多快的预测的关键。
“看到信息的爆炸式增长真是太棒了，” 位于纽约帕利塞兹的拉蒙特-多尔蒂地球观测站的海洋学家阿诺德·戈登说，他曾在1960年代领导了一些早期的南大洋调查。“新技术使我们能够进入这些偏远地区，并且我们对驾驶船只穿过海冰的依赖性大大降低。”
来自一系列海洋浮标的初步数据显示，上升流可能正在限制南大洋每年吸收的二氧化碳量。这引发了新的问题，即这些水在未来几十年内作为全球变暖的制动器将有多有效。
英国剑桥英国南极调查局的海洋学家迈克尔·梅雷迪思说：“南大洋目前对我们有很大的气候帮助，但这并不一定意味着它将来会继续这样做。” 梅雷迪思将在未来五年内领导一系列考察，以帮助记录热量和碳的吸收。“这确实是研究这些东西的关键场所。”
追踪碳
几个世纪以来，南大洋的奥秘一直吸引着探险家，但该地区独特的地理位置使其成为船舶的危险之地。在南纬60度周围，没有陆地来驯服环绕地球的风和海浪。而且，南极洲周围的冰块以吞噬迷失的船只而闻名，包括1915年欧内斯特·沙克尔顿的“耐力号”。
科学家们直到 1980 年代才开始意识到该地区对于控制全球气候的重要性，当时有几个小组试图解释为什么上一个冰河时代大气中二氧化碳浓度下降了约三分之一，然后又上升了。新泽西州普林斯顿大学的海洋学家豪尔赫·萨米恩托意识到，南大洋环流和生物学变化可能有助于地球降温和升温。
三十年后，萨米恩托正在领导一项工作，以收集关于南大洋中控制碳的化学和生物过程的第一个实时数据。耗资 2100 万美元的南大洋碳和气候观测与建模项目（SOCCOM）已经部署了 51 个计划中的 200 个机器人浮标，这些浮标在南大洋上层 2000 米处上下浮动。SOCCOM 浮标在由 3700 多个浮标组成的全球 Argo 阵列（收集温度和盐度数据）的基础上，还测量氧气、碳和营养物质。
有了新数据，萨米恩托和他的团队可以测试他们的模型，并改进对二氧化碳在海洋和天空之间如何移动的估计。间接证据表明，南大洋是一个净碳汇，并且自工业革命以来已经吸收了人类排放的碳排放量的 15%。但是在一年中的某些时候和该地区的特定地点，富含碳的地表水会将二氧化碳释放到大气中。
现在，研究人员正在近乎实时地了解南大洋中发生的事情，尤其是在冬季。“马上，我们看到流入大气的二氧化碳通量远高于我们之前的估计，”萨米恩托说。“这简直是革命性的。”
这项未公开的分析仅基于在水中至少一年时间的 13 个浮标，因此现在的问题是，冬季较高的二氧化碳排放量是否代表了整个南大洋的更大趋势。
“这非常诱人，” 普林斯顿大学的博士后研究员艾莉森·格雷说，她正在领导这项研究。“这可能意味着南大洋的碳汇可能比估计的要弱得多。”
以前也曾看到过类似的迹象。 2007 年，由现任英国诺威治廷德尔气候变化研究中心主任科琳·勒·奎尔领导的一个团队在《科学》杂志上发表了一项研究，表明南大洋的碳吸收率在 1981 年至 2004 年间有所下降。作者将变化归咎于环绕南极洲大陆的风。在此期间，这些风的速度有所增加，这可能是由于南极洲上空平流层臭氧层中的空洞，也可能是由于全球变暖。更强的风能够更好地将深层、古老的水拉上来，当它到达地表时会释放二氧化碳。这会导致碳汇的净减弱。
如果这种趋势继续下去，未来大气中的二氧化碳含量会上升得更快。然而，去年在《科学》杂志上发表的一项研究发现，碳汇在 2000 年代初期开始加强。
勒·奎尔说，尚不清楚二氧化碳吸收的增加是恢复正常还是偏离了碳汇的长期减弱。她说，无论如何，现在很明显，南大洋可能比科学家想象的要反复无常得多。
SOCCOM 浮标可能会帮助研究人员回答这些问题，但可能需要数年时间他们才能对趋势说出任何具体的事情。勒·奎尔也不认为新的浮标网络会提供足够的细节。在她七月份发表的一篇论文中，她发现南大洋对碳吸收的模型在很大程度上取决于对那里食物网结构的假设。她说，气候科学家需要提高他们对浮游植物和浮游动物繁殖的类型和时间安排的理解，如果他们想让他们的气候预测正确。“在我看来，那是下一个前沿，”她说。
变暖的水域
碳只是南大洋故事的一部分。科学家们也开始确定在那里吸收的所有热量会发生什么。
南大洋是洋流网络的起点，该网络在整个海洋盆地输送水、热量和营养物质。在南极洲附近，地表水通常会变得寒冷和密集，足以沉入海底，形成深渊洋流，当它们向北流入太平洋、大西洋和印度洋时，会紧贴海底。
科学家们对这些洋流的大部分了解来自自 1990 年代初以来每十年左右进行的船舶调查。 2010 年，当研究人员分析调查数据时，他们发现深渊水域有明显的变暖趋势，这些水域不知何故吸收了全球变暖产生的多余热量的 10% 左右。
深海的变暖程度令人惊讶，研究人员提出了几种以南大洋为中心来解释的因素。一个因素可能是南极洲周围的地表水盐度降低，部分原因是夏季海洋上空的降雨量增加。较淡的地表水密度较低，因此这种变化会扼杀沉入海底以滋养底部洋流的冷水的供应。“深水变暖是因为它没有得到那么多的冷水补充，”美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 位于华盛顿州西雅图的海洋学家格雷戈里·约翰逊说，他是 2010 年分析的合著者。
一项基于第三轮船舶调查的初步数据进行的尚未发表的分析，发现了类似的趋势，但研究人员一直渴望获得更频繁的测量结果，以提供更全面的图景。如果一个拟议的国际项目取得进展，这可能会发生。这个名为 Deep Argo 的项目将是一个定期潜入海底的浮标阵列。约翰逊参与了一个美国财团，该财团正在新西兰海岸附近的一个盆地测试 13 个浮标，在澳大利亚南部测试另外 9 个浮标。
其他人则使用系泊设备来监测深水流动。自 1999 年以来，戈登一直在威德尔海维持一个系泊阵列，威德尔海是冷地表水下沉形成海底洋流的主要区域之一。他看到一些地区的深水盐度降低，但长期趋势尚不明确。
“我们实际上只是触及了海底水如何变化的皮毛，以及这如何影响大规模的全球海洋环流，”他说。
沿着边缘
2015 年 1 月，当澳大利亚破冰船“极光号”在南极洲海岸附近巡航时，他们获得了一个独特的机会。沿着海冰的裂缝，他们能够到达托滕冰川的边缘，这是南极洲东部冰盖最大的排水点之一。没有其他考察队到达过离冰川 50 公里以内的地方。
该团队将浮标和滑翔机部署到冰川周围和下方的水域中，该冰川在其前端边缘有 200 米厚。他们的发现令人震惊。冰川前端的水温比冰川底部冻结时的温度高 3 °C。
澳大利亚霍巴特南极气候和生态系统合作研究中心的海洋学家史蒂夫·林图尔说：“我们一直认为托滕离温暖的水域太远而不会受到影响，但我们发现整个陆架上都有温暖的水域。”
科学家们已经证明，在冰川延伸到海洋的半岛沿线的许多区域，暖流正在削弱南极洲西部冰盖。但林图尔说，这次考察提供了一些初步的硬证据，表明同样的进程正在影响南极洲东部，这引发了关于覆盖这片大陆的巨大冰盖寿命的新问题。
对于是什么驱动了这些近地表洋流变暖，目前还没有明确的答案。一些解释认为是南大洋上空风的变化以及暖水的上升流造成的。另一些则侧重于较淡的表层水和某些地区海冰的扩张。额外的海冰和较淡的表层水结合可能会在海洋上形成一种“盖子”，将一些较暖的上升流海水引导向海岸。
戈登说：“包括我在内的每位科学家都有自己偏爱的解释。但这正是科学的运作方式：你观察得越多，情况就越复杂。”
寻找答案可能需要招募一些南极的永久居民。英国南极调查局的梅雷迪思团队计划为威德尔海豹配备传感器，以便这些动物在沿大陆架的海冰下觅食时收集水文测量数据。这个区域尤其重要，因为寒冷的水正是从这里开始下降到深渊的。
梅雷迪思说：“发生在陆架区域的过程在全球范围内都非常重要，但测量它们非常困难。海豹某种程度上超越了这种障碍。”
威德尔海豹只是这次考察行动的组成部分之一。该团队还将派遣自主滑翔机在海冰下按照预先设定的路线航行，收集深度达1000米的温度和盐度数据。从船只上进行的测量将有助于描绘出南极洲周围这一关键区域的情况，以及它与全球海洋环流其余部分的关系。
获得数据只是挑战的一半。最终，科学家需要改进他们关于洋流如何在全球范围内输送热量、二氧化碳和营养物质的模型。即使有了更好的测量数据，结果也表明建模者还有很长的路要走。
对来自船舶调查的数据进行分析表明，上升流海水在南极洲附近并非以简单的模式上升。相反，它会在到达地表之前围绕大陆旋转一圈半。普林斯顿大学的萨米恩托团队发现，只有最高分辨率的模型才能准确捕捉到这种行为。萨米恩托说，模型可能还需要一段时间才能模拟出该地区真实发生的情况，但他相信这一天最终会到来。
对于拉塞尔来说，科学家们似乎终于揭开了南大洋的面纱。自从1994年她第一次航行返回后，她转向建模，因为当时没有足够的数据来量化她遇到的上升流的影响。今天，她两者兼顾。拉塞尔正在领导SOCCOM项目的建模部分，她获得的数据比她梦想的还要多。
她说：“现在是成为海洋学家的美好时光，即使我们正在对我们的星球进行一场真正可怕的地球物理实验。”
本文经许可转载，并于2016年11月16日首次发表。