喬琳·羅素（Joellen Russell）在一次紐西蘭以南的考察中，對於在她研究船上拍打的10米高的海浪毫無準備。“每次我們翻滾進水山時，都感覺船會被壓碎，” 圖森市亞利桑那大學的海洋建模師羅素回憶道。有一次，她幾乎被一道巨浪捲入海中。
但真正讓她震驚的是來自分析海水的感測器的流資料。當船傾斜和呻吟時，她意識到海洋表面氧氣含量低，碳含量高且酸性極強——令人驚訝的跡象表明，通常在深海中發現的富含營養的水已經到達了表面。事實證明，羅素正乘著幾個世紀以來沒有暴露在大氣中的古老水域的波浪。
儘管她在1994年遇到它時頗具爭議，但這種強大的上升流現在被認為是南大洋的標誌，這是一個圍繞南極洲旋轉的神秘野獸，由世界上最強勁的持續風驅動。南大洋從大氣中吸收大量的二氧化碳和熱量，這減緩了全球變暖的速度。其強大的洋流推動了全球大部分的海洋環流。
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惡劣的條件使海洋學家們在過去幾十年里望而卻步，但現在一個新的科學時代正在到來。來自世界各地的研究人員正在使用浮標、繫泊、船舶、滑翔機、衛星、計算機模型，甚至裝有感測器的海豹彙集到該區域。目標是彌補巨大的資料缺口，並加強對南大洋和全球氣候如何運作的理解。這樣做可能是改進對世界變暖速度、南極冰蓋將存活多久以及海平面將上升多快的預測的關鍵。
“看到資訊的爆炸式增長真是太棒了，” 位於紐約帕利塞茲的拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的海洋學家阿諾德·戈登說，他曾在1960年代領導了一些早期的南大洋調查。“新技術使我們能夠進入這些偏遠地區，並且我們對駕駛船隻穿過海冰的依賴性大大降低。”
來自一系列海洋浮標的初步資料顯示，上升流可能正在限制南大洋每年吸收的二氧化碳量。這引發了新的問題，即這些水在未來幾十年內作為全球變暖的制動器將有多有效。
英國劍橋英國南極調查局的海洋學家邁克爾·梅雷迪思說：“南大洋目前對我們有很大的氣候幫助，但這並不一定意味著它將來會繼續這樣做。” 梅雷迪思將在未來五年內領導一系列考察，以幫助記錄熱量和碳的吸收。“這確實是研究這些東西的關鍵場所。”
追蹤碳
幾個世紀以來，南大洋的奧秘一直吸引著探險家，但該地區獨特的地理位置使其成為船舶的危險之地。在南緯60度周圍，沒有陸地來馴服環繞地球的風和海浪。而且，南極洲周圍的冰塊以吞噬迷失的船隻而聞名，包括1915年歐內斯特·沙克爾頓的“耐力號”。
科學家們直到 1980 年代才開始意識到該地區對於控制全球氣候的重要性，當時有幾個小組試圖解釋為什麼上一個冰河時代大氣中二氧化碳濃度下降了約三分之一，然後又上升了。新澤西州普林斯頓大學的海洋學家豪爾赫·薩米恩託意識到，南大洋環流和生物學變化可能有助於地球降溫和升溫。
三十年後，薩米恩託正在領導一項工作，以收集關於南大洋中控制碳的化學和生物過程的第一個即時資料。耗資 2100 萬美元的南大洋碳和氣候觀測與建模專案（SOCCOM）已經部署了 51 個計劃中的 200 個機器人浮標，這些浮標在南大洋上層 2000 米處上下浮動。SOCCOM 浮標在由 3700 多個浮標組成的全球 Argo 陣列（收集溫度和鹽度資料）的基礎上，還測量氧氣、碳和營養物質。
有了新資料，薩米恩託和他的團隊可以測試他們的模型，並改進對二氧化碳在海洋和天空之間如何移動的估計。間接證據表明，南大洋是一個淨碳匯，並且自工業革命以來已經吸收了人類排放的碳排放量的 15%。但是在一年中的某些時候和該地區的特定地點，富含碳的地表水會將二氧化碳釋放到大氣中。
現在，研究人員正在近乎即時地瞭解南大洋中發生的事情，尤其是在冬季。“馬上，我們看到流入大氣的二氧化碳通量遠高於我們之前的估計，”薩米恩託說。“這簡直是革命性的。”
這項未公開的分析僅基於在水中至少一年時間的 13 個浮標，因此現在的問題是，冬季較高的二氧化碳排放量是否代表了整個南大洋的更大趨勢。
“這非常誘人，” 普林斯頓大學的博士後研究員艾莉森·格雷說，她正在領導這項研究。“這可能意味著南大洋的碳匯可能比估計的要弱得多。”
以前也曾看到過類似的跡象。 2007 年，由現任英國諾威治廷德爾氣候變化研究中心主任科琳·勒·奎爾領導的一個團隊在《科學》雜誌上發表了一項研究，表明南大洋的碳吸收率在 1981 年至 2004 年間有所下降。作者將變化歸咎於環繞南極洲大陸的風。在此期間，這些風的速度有所增加，這可能是由於南極洲上空平流層臭氧層中的空洞，也可能是由於全球變暖。更強的風能夠更好地將深層、古老的水拉上來，當它到達地表時會釋放二氧化碳。這會導致碳匯的淨減弱。
如果這種趨勢繼續下去，未來大氣中的二氧化碳含量會上升得更快。然而，去年在《科學》雜誌上發表的一項研究發現，碳匯在 2000 年代初期開始加強。
勒·奎爾說，尚不清楚二氧化碳吸收的增加是恢復正常還是偏離了碳匯的長期減弱。她說，無論如何，現在很明顯，南大洋可能比科學家想象的要反覆無常得多。
SOCCOM 浮標可能會幫助研究人員回答這些問題，但可能需要數年時間他們才能對趨勢說出任何具體的事情。勒·奎爾也不認為新的浮標網路會提供足夠的細節。在她七月份發表的一篇論文中，她發現南大洋對碳吸收的模型在很大程度上取決於對那裡食物網結構的假設。她說，氣候科學家需要提高他們對浮游植物和浮游動物繁殖的型別和時間安排的理解，如果他們想讓他們的氣候預測正確。“在我看來，那是下一個前沿，”她說。
變暖的水域
碳只是南大洋故事的一部分。科學家們也開始確定在那裡吸收的所有熱量會發生什麼。
南大洋是洋流網路的起點，該網路在整個海洋盆地輸送水、熱量和營養物質。在南極洲附近，地表水通常會變得寒冷和密集，足以沉入海底，形成深淵洋流，當它們向北流入太平洋、大西洋和印度洋時，會緊貼海底。
科學家們對這些洋流的大部分了解來自自 1990 年代初以來每十年左右進行的船舶調查。 2010 年，當研究人員分析調查資料時，他們發現深淵水域有明顯的變暖趨勢，這些水域不知何故吸收了全球變暖產生的多餘熱量的 10% 左右。
深海的變暖程度令人驚訝，研究人員提出了幾種以南大洋為中心來解釋的因素。一個因素可能是南極洲周圍的地表水鹽度降低，部分原因是夏季海洋上空的降雨量增加。較淡的地表水密度較低，因此這種變化會扼殺沉入海底以滋養底部洋流的冷水的供應。“深水變暖是因為它沒有得到那麼多的冷水補充，”美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 位於華盛頓州西雅圖的海洋學家格雷戈裡·約翰遜說，他是 2010 年分析的合著者。
一項基於第三輪船舶調查的初步資料進行的尚未發表的分析，發現了類似的趨勢，但研究人員一直渴望獲得更頻繁的測量結果，以提供更全面的圖景。如果一個擬議的國際專案取得進展，這可能會發生。這個名為 Deep Argo 的專案將是一個定期潛入海底的浮標陣列。約翰遜參與了一個美國財團，該財團正在紐西蘭海岸附近的一個盆地測試 13 個浮標，在澳大利亞南部測試另外 9 個浮標。
其他人則使用繫泊裝置來監測深水流動。自 1999 年以來，戈登一直在威德爾海維持一個繫泊陣列，威德爾海是冷地表水下沉形成海底洋流的主要區域之一。他看到一些地區的深水鹽度降低，但長期趨勢尚不明確。
“我們實際上只是觸及了海底水如何變化的皮毛，以及這如何影響大規模的全球海洋環流，”他說。
沿著邊緣
2015 年 1 月，當澳大利亞破冰船“極光號”在南極洲海岸附近巡航時，他們獲得了一個獨特的機會。沿著海冰的裂縫，他們能夠到達託滕冰川的邊緣，這是南極洲東部冰蓋最大的排水點之一。沒有其他考察隊到達過離冰川 50 公里以內的地方。
該團隊將浮標和滑翔機部署到冰川周圍和下方的水域中，該冰川在其前端邊緣有 200 米厚。他們的發現令人震驚。冰川前端的水溫比冰川底部凍結時的溫度高 3 °C。
澳大利亞霍巴特南極氣候和生態系統合作研究中心的海洋學家史蒂夫·林圖爾說：“我們一直認為託滕離溫暖的水域太遠而不會受到影響，但我們發現整個陸架上都有溫暖的水域。”
科學家們已經證明，在冰川延伸到海洋的半島沿線的許多區域，暖流正在削弱南極洲西部冰蓋。但林圖爾說，這次考察提供了一些初步的硬證據，表明同樣的程序正在影響南極洲東部，這引發了關於覆蓋這片大陸的巨大冰蓋壽命的新問題。
對於是什麼驅動了這些近地表洋流變暖，目前還沒有明確的答案。一些解釋認為是南大洋上空風的變化以及暖水的上升流造成的。另一些則側重於較淡的表層水和某些地區海冰的擴張。額外的海冰和較淡的表層水結合可能會在海洋上形成一種“蓋子”，將一些較暖的上升流海水引導向海岸。
戈登說：“包括我在內的每位科學家都有自己偏愛的解釋。但這正是科學的運作方式：你觀察得越多，情況就越複雜。”
尋找答案可能需要招募一些南極的永久居民。英國南極調查局的梅雷迪思團隊計劃為威德爾海豹配備感測器，以便這些動物在沿大陸架的海冰下覓食時收集水文測量資料。這個區域尤其重要，因為寒冷的水正是從這裡開始下降到深淵的。
梅雷迪思說：“發生在陸架區域的過程在全球範圍內都非常重要，但測量它們非常困難。海豹某種程度上超越了這種障礙。”
威德爾海豹只是這次考察行動的組成部分之一。該團隊還將派遣自主滑翔機在海冰下按照預先設定的路線航行，收集深度達1000米的溫度和鹽度資料。從船隻上進行的測量將有助於描繪出南極洲周圍這一關鍵區域的情況，以及它與全球海洋環流其餘部分的關係。
獲得資料只是挑戰的一半。最終，科學家需要改進他們關於洋流如何在全球範圍內輸送熱量、二氧化碳和營養物質的模型。即使有了更好的測量資料，結果也表明建模者還有很長的路要走。
對來自船舶調查的資料進行分析表明，上升流海水在南極洲附近並非以簡單的模式上升。相反，它會在到達地表之前圍繞大陸旋轉一圈半。普林斯頓大學的薩米恩託團隊發現，只有最高解析度的模型才能準確捕捉到這種行為。薩米恩託說，模型可能還需要一段時間才能模擬出該地區真實發生的情況，但他相信這一天最終會到來。
對於拉塞爾來說，科學家們似乎終於揭開了南大洋的面紗。自從1994年她第一次航行返回後，她轉向建模，因為當時沒有足夠的資料來量化她遇到的上升流的影響。今天，她兩者兼顧。拉塞爾正在領導SOCCOM專案的建模部分，她獲得的資料比她夢想的還要多。
她說：“現在是成為海洋學家的美好時光，即使我們正在對我們的星球進行一場真正可怕的地球物理實驗。”
本文經許可轉載，並於2016年11月16日首次發表。