1916年，南極探險家歐內斯特·沙克爾頓（Ernest Shackleton）的“忍耐力號”輪船在威德爾海被浮冰壓碎沉沒後，被迫在南大洋的開闊水域進行一次極度危險的航行。沙克爾頓和他的五名船員乘坐一艘23英尺長的木製救生艇“詹姆斯·凱恩”號出發前往南喬治亞島。5月5日，在旅途的第11天夜裡，幽暗的天空中出現了一片白色。令人恐懼的是，他們所看到的並不是破裂的雲層，而是一個被巨大海浪衝下的白色波峰。
沙克爾頓後來在他的書《南方：1914-1917年沙克爾頓最後一次遠征的故事》中寫道：“在26年的海洋經驗中，我從未遇到過如此巨大的海浪。” “這是一場浩瀚的海洋鉅變，與我們多年來孜孜不倦的敵人 -- 大海完全不同。”
人們到現在還記得沙克爾頓的可怕遭遇。而今天，南半球西風帶重新成為焦點，原因卻不一樣：因為它們對氣候變化的影響在逐漸增加。
1916年4月24日，救生艇“詹姆斯·凱恩”號下水時的留影
人類排放到大氣中的碳總量的四分之一以上都被地球上的海洋吸收掉，緩解了這種由碳導致的溫室效應。儘管南大洋僅佔地球海洋表面積的五分之一，但它仍佔海洋碳吸收量的近40%。因此，只要南大洋從大氣中吸收碳的能力稍有下降，必然對我們已經變暖的地球造成巨大的影響。
科學家說，這種減少可能已經發生了，他們懷疑南半球的西風帶是罪魁禍首，它們比北半球的西風帶更強，因為它們大多在開闊的水面上形成。實際風速的記錄，以及大氣壓力測量的風速估計，提供了明顯的證據，表明南北半球的西風帶正在向兩極移動並增強。氣候模型顯示，這些變化在一定程度上是由於全球變暖，目前正在進行研究，以確定它們是否阻礙了南大洋從大氣中吸收碳的能力。
澳大利亞核科學技術組織（Australian Nuclear Science and Technology Organization）駐悉尼的古氣候科學家克里斯蒂娜·桑德斯（Krystyna Saunders）說：“如果風繼續增強，將會發生什麼，這是個問題。我們的海洋到底能吸收多少？”
桑德斯和她的同事們發現了一些線索，在過去12000年的地球歷史中，更高的風速和大氣中更高濃度的二氧化碳是同時消失的。如果風和二氧化碳之間的這種聯繫在今天也一樣成立，它將導致大氣中溫室氣體水平上升，從而加速氣候變化，從而進一步加劇西風帶。
越來越多的證據表明，至少在西風最猛烈的冬季，南大洋的一些地區釋放出的二氧化碳比先前估計的要多 -- 這是形成環境惡性循環的因素。
正在膨脹的地球中部
西風帶是全球大氣環流系統造成的，首先是由“哈德利細胞”開始。當赤道附近溫暖潮溼的空氣上升到高層大氣中，然後隨著它的冷卻和乾燥，大部分空氣在南北半球大約30度的緯度向地球下沉時，這種“細胞”就形成了。在較低的大氣中，這種空氣會向赤道方向移動，從而形成細胞。這些向下移動的空氣質量中的一部分逃離了哈德利細胞，離開了赤道，並被地球自轉所偏轉，形成了西風帶。因為西風帶形成於每一個離北極最近的半球哈德利細胞的邊緣，細胞越大，風就越向北極移動。
氣象氣球、衛星和其他手段收集的數據可以追溯到1960年，這些數據表明，過去幾十年裡，地球的熱帶地帶已經擴大了幾個緯度，從而擴大了哈德利細胞的大小。正如氣候模型所預測的那樣，一部分原因是由於全球變暖。與此同時，西風帶也被推向了偏北。當它們繞地球較窄的部分旋轉時，所能覆蓋的距離較短，角動量守恆定律規定風的速度應該增加。過去三十年的測量表明，西風帶確實加強了。
當研究人員瞭解到西風帶的這些變化時，其他科學家開始使用大氣中二氧化碳含量的測量來確定移動速度更快的西風帶是否導致南大洋吸收二氧化碳的數量下降。他們有理由認為這是正在發生的事實。
與其它任何氣體一樣，二氧化碳施加的壓力取決於氣體相對於混合物中其他氣體的量。如果大氣中二氧化碳的分壓大於海洋中的二氧化碳，那麼海洋將從大氣中吸收碳。反之就會釋放它。隨著西風帶的加強，由於洋流模式的改變，南大洋的二氧化碳濃度可能會發生變化。
西風帶推動環繞南極洲的南洋流。主要由西向東的洋流進一步受到地球自轉產生的一種力的作用，這稱為科里奧利力，這種力使運動物體在北半球向右偏轉，在南半球向左偏轉。環繞南極洲的洋流向左或向北偏轉，將地表水推離南極。這為南大洋深處的水向海面移動奠定了基礎。高達80%的返回地球表面的深水在南大洋返回。
爭論認為，南大洋較深且富含碳的水域的大規模上升流增加了海洋表面的二氧化碳，從而降低了其作為碳匯的能力。但這到底是怎麼回事？
先前的估計表明，1981年至2004年期間，南大洋每年吸收的碳比預期少8000萬噸。德國漢堡馬克斯普朗克氣象學研究所的海洋生物地球化學家彼得·蘭德舍爾（Peter Landschützer）說，鑑於南大洋是“地球上最重要的海洋碳庫”，這一點令人擔憂。
因此，蘭德舍爾和他的同事們仔細研究了一個全球數據庫，這個數據庫是通過部署在海洋中的儀器或進行研究和商業船隻對地表水的觀測而建立的。它被稱為表層海洋二氧化碳圖集（SOCAT），成立於2007年，包含1957年至2019年全球海洋和沿海海洋的近2600萬次觀測。由於前幾十年的數據比近幾年更加稀少，蘭德舍爾的團隊使用其他不太直接但更頻繁測量的參數（如海表面溫度和鹽度）填補了空白，這些參數與地表水與二氧化碳的關係也得到了很好的解譯。
他們估計，從1982年到2001年，南大洋的二氧化碳吸收量確實低於預期。這一趨勢在2002年發生了逆轉，直到2011年，海洋一直充當著一個更具活力的碳匯。然而，從2011年到2016年，南大洋的碳吸收效率又下降了。研究小組試圖找到南大洋吸收二氧化碳能力的變化與向極地移動的西風帶之間的聯繫。
目前，科學家們的分析都是基於主要在夏季通過南大洋的船隻收集的數據。而冬季的數據是零散的，因為那時候船隻很難靠近南極洲。因此，蘭德舍爾的研究小組利用更豐富的夏季數據和稀疏的冬季數據，儘可能地推斷和解釋冬季月份。
但近年來，研究人員已經開始使用漂浮物，這種漂浮物可以更廣泛地看到南大洋冬季的變化。而數據也更令人不安。華盛頓大學的海洋學家艾莉森·格雷和她的同事們使用了由南大洋碳和氣候觀測與建模項目（SOCCOM）部署的35個自主漂浮物收集的數據。這些浮標從2014年5月1日至2017年5月1日連續監測南部海域2000米的頂部，擁有一系列海洋表面參數的傳感器，這些傳感器可用於計算地表水的碳含量。格雷的研究小組的分析表明，南極洲周圍的南部海洋在冬季釋放出的二氧化碳比蘭德舍爾的方法估計的要多得多。
為了看他們是否能解決這個差異，蘭德舍爾將這些數據組合在一起，發現“真相只有一個”。他說：碳吸收並沒有直接浮標測量顯示的那麼低，但也沒有在船上取得的數據估計的那麼高。
因為生活在地表水中的一般被稱為浮游植物的微生海藻，深海是富含碳的。浮游植物通過光合作用將水中的二氧化碳合成成有機分子來構建它們的身體。當它們死亡時，它們沉入海底，將碳隔離了幾個世紀。一些浮游植物被稱為浮游動物的大型有機體所吞噬，而這些有機體又被更大的生物吃掉，這些生物富含碳的糞便顆粒和屍體也可能最終落到海底，從而在深水中埋下更多的碳。
來自SOCCOM浮標的證據表明，正是這些深水在南極冬季這段時間內上湧。“（這些上升的水）是通常需要幾百年才能從深海中循環出來的腐爛的老水。”
科學家推測，加強的西風帶正在把更多富含碳的深水帶到地表，但他們需要更多的證據。要確認速度更快的西風帶對南部海洋出氣以及大氣二氧化碳水平有影響，一種方法是查看過去的氣候證據。桑德斯和她的同事決定在麥格理島（Macquarie Island）上尋找一些證據，該島距離澳大利亞和南極洲之間的塔斯馬尼亞島大約1500公里。在北緯54度，它就在西風帶的主帶上。
即使在311英尺長的南極光破冰船上，到達麥格理島也是非常困難的。儘管破冰船的體積很大，但它仍能被巨大的海浪掀翻。桑德斯說：“你可以躺在你的鋪位上，隨著船的旋轉，從一邊到另一邊，從頭到腳地滾動。” “還有，如果你像我一樣暈船，那就太可怕了。”
在麥格理島上，桑德斯和她的同事利用了一個偶然的自然記錄，提供了一些線索，可以看出島上的風過去吹得有多強。該記錄位於翡翠湖的底部，翡翠湖是島西部邊緣的淡水湖。它暴露在西風帶，因此也暴露在被風吹進來的鹹水中：風速越大，湖水的鹽度就越高。鹽度反過來又會影響哪些硅藻物種能在湖中茁壯成長。
當硅藻死亡時，它們沉入湖底，埋在湖底的沉積物中，形成了一個分層的湖水鹽度歷史記錄，並以風速為代表。桑德斯的研究小組從湖底提取了沉積物核心，重點研究了在全新世（地球歷史上的現在時代，大約11700年前，最後一個冰河時代結束時開始）積累的地層。
在推斷了全新世期間西風帶的速度之後，他們又查看了南極洲鑽取的冰芯數據，以直接測量同期大氣中的二氧化碳含量。他們發現了明顯的相關性。桑德斯說：“如果你觀察風力高於平均強度的時期，以及二氧化碳高於平均濃度的時期，它們是重疊的。”
這對於我們理解西風帶對南大洋吸收碳的能力的影響有著重要的意義。桑德斯的研究支持這樣一種觀點，
即隨著西風帶速度的加快，南大洋將釋放出更多的二氧化碳（如格雷關於海洋觀測委員會浮標收集的冬季數據的報告所示），這與蘭德舍爾團隊對35年的船基數據的分析背道而馳。看來只有更多的研究，按照蘭德舍爾試圖調和各種數據集的思路，才能幫助解決這場爭論。
還有一個因素可能導致科學家們擔心的南大洋的惡性循環。包括墨西哥灣流在內的大西洋大環流系統的變化也可能加劇南大洋的變暖，而這反過來又可能加劇西風帶的偏北移動和加強。
這一環流系統被稱為大西洋經向翻轉環流（AMOC），它將溫暖、富含鹽分的地表水帶到北方，在那裡冷卻下沉，然後通過更深的海洋層返回南半球。科學家們發現了AMOC正在減緩的證據，特別是在過去的150年裡，與之前的1500年相比。這方面的一個跡象是，沉積在海底的顆粒越來越小：快速流動的水可以帶走較小的顆粒，只允許較大的顆粒沉降，而較慢的水允許越來越小的顆粒落在海底。
AMOC的一些減緩可以歸因於全球變暖的一個後果：越來越多的冰川融水進入北大西洋。這種淡水降低了地表水的鹽度和密度。稠密、鹹、冷的海水的形成對它下沉到北方的深海至關重要，它從那裡返回南半球。這一進程正受到氣候變化的干擾。
自2004年以來，一個名為RAPID的項目在北緯26度（從佛羅里達到摩洛哥）的大西洋部署，以直接測量AMOC的速度變化。
測量顯示洋流確實在減慢。但是由於氣候系統內在的十年到十年的變化，15年的直接測量還不足以建立一個趨勢。因此，科學家們利用1870年至2016年的實際海洋表面溫度測量數據，結合高分辨率氣候模型，重建了過去150年左右的AMOC強度，從而及時地將這一記錄擴大了。他們的研究表明，循環系統的強度在1990年左右降到最低，然後增長到21世紀初，然後又開始下降。其他科學家也發現了類似的結果。只要溫室氣體排放量繼續上升，所有的氣候模型都預測AMOC會放緩。
由於AMOC將熱量從南部輸送到北部，減緩的速度有效地冷卻了北半球，加熱了南半球。這種暖化還加劇了西風帶，並將西風帶轉向南極，導致南大洋更大的垂直攪動，這可能會削弱海洋吸收二氧化碳的能力，從而導致全球變暖。由於可能的結果是更多的冰川融水流入北大西洋，這可能會進一步削弱AMOC。它具有一個正在失控的系統的所有特徵。
在上一個冰河時代，一個類似的失控過程被認為已經結束了。當時二氧化碳的含量從每百萬分之180 （PPM）提高到240（PPM）。這種上升發生在大約17500年前到11700年前，導致了使地球更適合居住的冰消作用。由於人類活動，大氣中的二氧化碳含量現在已經超過了410 PPM，並且還在上升。在短短250年內，我們增加的二氧化碳水平超過了數千年來融化一個冰凍地球的數量。
風在南大洋上空再次呼嘯，危險地接近喚醒一頭野獸，直到現在，它一直在通過吸收大量的碳來幫助我們。但這個過程不可能永遠持續下去。
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