南大洋也称南极海，是数千种物种和复杂生态系统的家园。
这里的海浪最高可达20米，气温也低于冰点，因此研究这里的生命并非易事。
新技术让科学家得以了解更多，包括帮助他们认识气候变化对海洋的影响。
2018年，一幅以一位海洋学家命名的地图走红网络。
所谓的斯皮尔豪斯投影是从南极上空俯瞰地球的地图投影，旨在展现各大洋盆地彼此相连的特征。
对于生活在海洋占主导地位的南半球的人来说，这种视角自然而然。
南大洋也称为南极海（有时也称南方海），独一无二，最适合用最高级来形容。
储存热量与碳
先来看看南大洋储存过剩热量和碳的能力。全球海洋吸收了燃烧化石燃料产生的过剩热量的90%以上，以及新增二氧化碳的三分之一。
据估计，南纬30°以南的南大洋储存了全球海洋吸收过剩热量总量的约75%，以及全球从大气中吸收过剩碳总量的约35%。它是地球储存热量和碳的主要区域。
南大洋连接除北冰洋以外的所有主要海洋盆地。这一连接由南极绕极流（ACC）实现，它是地球上最大的洋流。其流量是地球所有河流总流量的100多倍，输送的水量足以在短短几小时内注满安大略湖。
强风以及几乎环绕南极洲、畅通无阻的通道，共同赋予南极绕极流强劲的流量和速度。
全球洋流交汇
“咆哮四十度带”“狂暴五十度带”和“尖啸六十度带”，都是对横贯南大洋、几乎持续不断的强劲西风的俗称。这些风也掀起同样惊人的巨浪，令海面能量极其充沛，也难以测量。
然而，热量和碳在这一复杂界面上的交换对全球至关重要，海洋学家也为这一充满挑战的环境专门设计了工具。
要真正理解南大洋，必须从三维角度思考。性质各异的水体在涡旋中水平和垂直混合。
相对温暖的亚热带水向南混合，来自北大西洋的深层冷水重新上升至近海面，而更冷的极地水团则向北混合并再次下沉。
风和海底地形共同影响着这种复杂的相互作用。
北面只有三处主要狭窄通道：宽850公里的德雷克海峡，以及水下的凯尔盖朗高原和坎贝尔高原。南面，南极绕极流则抵达南极洲边缘。
在这里，海洋通过让相对温暖且正在升温的绕极深层水与南极洲周边的冰层接触，在全球气候系统中发挥另一项关键作用。
海冰的年度消融与冻结
南极洲周边海冰生长和融化的年度循环，是地球标志性的节律之一，也是南大洋的重要组成部分。在这方面，两个极地地区截然不同。
北冰洋是一个四周环陆、出口狭窄的小型深海。南极洲则是一块拥有大陆架、四面环海的大型陆地。每年，这些水域都有1500万平方公里的海冰向外扩展又向内退缩。
与北极明显而剧烈的变化不同，南极海冰的变化节律不那么明显。面对不断变暖的海洋，海冰实际上曾缓慢向北扩展，直到2016年前后才突然开始收缩。
观察南极海冰的年度循环，人们或许会以为海冰只是随着一年中气温转冷转暖，在原地生长和融化。但事实上，大量海冰是在冰间湖中形成的——这些沿岸的“海冰工厂”里，寒冷而迅疾的南极风一边形成新海冰，一边又将其吹走，速度几乎与海冰出现的速度相同。
这一过程又让我们回到全球海洋环流。当新海冰形成时，海水冻结会排出盐分，并与下方海水混合，形成温度更低、盐度更高的海水。它下沉至海底，再向北流动。
冰间湖实际上就像全球输送系统中的地铁站：海水在两极下沉，向北流动并向上混合，完成一次接近1000年的循环。
冰架的响应各不相同
计算机模拟显示，在过去几千年里，南极洲边缘的冰架经历了消长变化。
这些冰盖向海中延伸的部分漂浮在海面上，与海洋直接相互作用，因此会使冰盖容易受到气候影响。海洋变暖，以及接触冰架的水体来源发生变化，都可能导致冰架发生变化，进而影响整个冰盖。
不过，并非所有冰架都会以同样方式应对变暖。有些海洋空腔温度较低，变化缓慢；另一些则因与绕极深层水相互作用，被称为“热”的空腔——当然，这是以极地标准而言。后者目前正在迅速变化。
我们可以从太空观测许多冰冻圈过程，但要真正了解海洋延伸到冰层下方多远，就必须深入冰面以下数百米。
要做出气候预测，就必须了解发生在短时间尺度上的细致过程，例如潮汐周期，而这些过程所在的地球区域我们才刚刚开始探索。
观测“尖啸六十度带”
如何对如此广阔、风暴频发的区域进行采样？用机器人。
自20世纪80年代以来，卫星一直在观测海洋表面。这项技术可以测量温度和海面高度等特性，甚至可用于估算生物生产力。但卫星无法观测海面以下。
改变局面的Argo 计划于20世纪90年代启动，通过建立一张漂流海洋观测浮标网络，彻底改变了地球科学。这些浮标测量温度和盐度，最深可达水下2公里。
科研船 Kaharoa 在南大洋投放 Argo 探测浮标的次数创下纪录，其中包括最近一次历经风暴、受新冠疫情影响的航行，航程从澳大利亚以南进入印度洋。
Argo 计划只是海洋观测新时代的开端。Deep Argo 探测浮标可下潜至6公里深处，以探测海洋变暖影响到多深。
南大洋的过去与未来
地球并非始终如今日这般。在地球历史上的某些时期，南大洋甚至尚不存在。那时，大陆和海洋盆地的位置各不相同，气候系统的运行方式也大不一样。
从人类进化这一短暂视角来看，南大洋一直是气候系统中稳定的一部分，经历的冰川波动也相对温和。但冰川周期的变化历经数万年。
我们正在给气候施加极其迅速的变化。自工业革命开始以来近三个世纪的时间，在地质尺度上不过转瞬之间。
短期（例如到2050年）和长期（到2300年）的未来变化很难预测。虽然相关物理过程对将会发生什么相对明晰，但预测何时发生则更具挑战。
能够准确模拟海洋、大气和冰层过程的模拟工具，才刚开始纳入冰架下方的空腔和海洋涡旋。最新的气候模型综合分析显示，模型在模拟南大洋运行机制方面已有进展。但海冰仍然很难准确模拟。
这就是前沿领域：全球科研界正努力将数据与不断改进的计算机模型结合起来，以更好地了解这片独特海洋的运行方式。
零下海洋中的生命
乍看之下，南极洲似乎是冰雪覆盖、荒凉且几乎寸草不生的环境，偶尔可见海鸟和海豹点缀其间。
但潜入海面之下，便会发现一片生命繁盛、生态系统复杂的海洋，其中既有单细胞藻类和微小的无脊椎动物，也有广为人知的顶级捕食者：企鹅、海豹和鲸。
南大洋是超过9000种已知海洋物种的家园，探险和研究还在不断发现更多物种。
研究南大洋的生命并非易事。这里的海浪高度可超过20米，冰山和海冰也潜藏在浪间。
这里的水温常常低于冰点——淡水在0℃结冰，而海水的冰点则接近-2℃。虽然可以进行水肺潜水，但南大洋的许多生命研究都是通过远程采样开展的。
海洋科学家使用机器人工具，例如遥控水下航行器进行观察和采样，还会使用抓斗和挖泥器采集海底生物。我们还会将装在带绳小管中的遗传样本采集器射向海洋哺乳动物，从远处取样；这些小管像针一样细小，之后可通过绳索收回。活检管（类似针头）连接在一根便于回收的绳索上，从远处射入动物体内。
我们还可以通过环境 DNA（eDNA）获得更广泛的多样性信息。从水样中过滤出生物痕迹，再用遗传学工具进行分析，通常可以识别其中现在或曾经存在的物种。
每次探险都会发现新物种——其中一些可能具有商业价值，而且它们全都是南大洋生态系统的重要组成部分。我们对该地区多样性的认识正在迅速增加。
尽管如此，南大洋幅员辽阔，其中很大一部分仍未采样或采样不足。
食物链底层
在南大洋，初级生产者（处于食物链起点的生物）包括单细胞藻类，例如硅藻，它们有着由硅构成、纹理精细的外壳；也包括大型大型藻类，例如海带。
海带和其他大型海藻通常只能在冰山不常刮擦海底的地方生存。硅藻种类繁多，有些物种能在海冰底面繁盛生长。
冰藻是磷虾的重要食物来源。磷虾是小型甲壳类动物，在南大洋食物网中发挥关键作用。
令人惊讶的是，寒冷的南大洋也是炽热的热液喷口系统的家园。这些生物群落中甲壳类和棘皮动物密度极高，它们从地壳渗出的化学物质中获取能量，而不是依靠太阳。
南极无脊椎动物占南大洋物种的90%以上。其中超过50%是该海洋特有的物种。
这些无脊椎动物通常比生活在更北部、温暖水域的近缘物种大得多。这种现象被称为“极地巨型化”，在许多类群中都能见到，例如巨型海蜘蛛、硕大的海绵，以及体型如前臂般大的鳞沙蚕。
没有人确切知道南极无脊椎动物为何长得如此巨大，但这可能与较高的氧气含量、缓慢的生长速度，或缺少鲨鱼和短尾蟹等重要捕食类群有关。
食物链更高层
在海洋食物链中，南极磷虾游弋于藻类初级生产者与我们总会联想到南极的标志性顶级捕食者之间。
须鲸的大部分能量来自大口吞食成群的磷虾（每立方米有10,000–30,000只个体）；企鹅和海豹粪便中的粉色痕迹也表明，它们同样喜欢这些美味的甲壳动物。
南大洋中鱼类和头足类动物（鱿鱼和章鱼）繁盛，为象海豹等深潜海洋哺乳动物提供食物。象海豹。有些鱼类非常适应富氧的寒冷水域，已不再生成红细胞，转而在血液中产生抗冻蛋白，帮助它们在零下水域中生存。
保护海洋环境
可以说，南大洋最贪婪的捕食者是人类。
南极洲或许地处偏远，但自其被发现以来的约200年间，南极周边海域一直遭到人类的过度开发。
最初是捕海豹者，随后是捕鲸者，他们将一些物种逼至灭绝边缘。甚至连企鹅也被捕杀以获取油脂。
近些年来，鱼类和磷虾（捕捞后用于食品或膳食补充剂）成为主要捕捞对象，导致一些物种的种群数量急剧下降。
海洋变暖和酸化等较间接的影响与捕捞活动叠加时，可能导致磷虾种群数量下降，进而使鲸鱼等顶级捕食者的数量减少。
南大洋的捕捞活动难以监管，因为这些水域不属于任何一个国家。为帮助管理渔业的影响，限制捕捞量的配额现由南极海洋生物资源保护委员会（CCAMLR）管理。
这一国际机构也在努力设立更多海洋保护区。如果没有这些捕捞管理措施，磷虾等食物网关键环节可能遭到过度开发，以至于生态系统崩溃。
环境变化意味着生态系统也会变化
超过21,000名游客和科学家每年到访南极洲，可能带来污染、疾病和入侵物种。为管理人类活动对南极生态系统的影响，并协助开展政治谈判，《南极条约》于1961年6月23日生效。
该条约规范南纬60°以南的所有活动，并包含一项环境保护议定书。
尽管如此，全球气候变化和海洋酸化的影响在南大洋仍清晰可见，包括海水温度上升、海冰减少和冰架崩塌。
越来越多的研究表明，即使是遥远的南大洋，也并未真正与世界其他地区隔绝；变暖、塑料污染和非本地物种正越过强大的极锋，进入南极海域。
成片漂浮的海藻来自南极以外，其中一些携带着动物乘客，能够穿越南大洋并抵达南极海岸。目前看来，它们似乎无法在南极极端气候中生存，但随着气候变暖，这种情况可能改变。
新物种迁入并在此定居，将给南极独特的动植物带来巨大压力。
不过，情况并非一片黯淡。自《南极条约》生效以来的几十年间，我们看到各国能够携手合作，帮助解决南极面临的挑战。一个例子是设立南极海洋保护区（MPA）。
这种程度的国际合作应当让我们对南大洋的未来以及世界面临的其他重大挑战抱有希望。
