Sự vận động của gió, băng, nước biển và hải lưu ở Nam Đại Dương có sức ảnh hưởng lớn tới khí hậu toàn cầu, song để hiểu rõ sự thay đổi rất khó do việc đo dữ liệu khó khăn, chi phí đắt.
Nam Đại Dương rất hoang vu và dữ dội. Vùng biển này trải qua những con gió mạnh nhất sóng lớn nhất trên Trái đất. Đây cũng là ngôi nhà của nhiều núi băng trôi to bằng cả thành phố và dòng hải lưu đại dương lớn nhất toàn cầu, cũng như dòng chảy xoáy cực nhỏ. Nam Đại Dương rất quan trọng đối với hệ thống tự nhiên trên Trái đất. Nó hình thành nước được lấp đầy các đại dương sâu trên thế giới. Nó lưu trữ nhiệt lượng và carbon từ hiện tượng ấm lên toàn cầu do con người gây ra và kiểm soát luồng nhiệt truyền tới dải băng khổng lồ ở Nam Cực, mối đe dọa lớn nhất đối với mực nước biển tăng lên.
Các nhà khoa học thường xuyên thám hiểm Nam Đại Dương. (Ảnh: Louise Biddle).
Quy mô và độ phức tạp của Nam Đại Dương rất khó hiểu hết. Các nhà khoa học và nhiều tổ chức thường xuyên đi tới những ngóc ngách xa xôi nhất của Nam Đại Dương nhưng vùng biển này vẫn cần nghiên cứu nhiều hơn nhằm thúc đẩy hiểu biết khoa học và bảo vệ tài sản tự nhiên quý giá.
Tấm băng Nam Cực là khối băng lớn nhất trên Trái đất, tương đương 58m của mực nước biển toàn cầu. Tấm băng trùm lên bề mặt Nam Đại Dương ở dạng những thềm băng khổng lồ. Nhiều thềm băng trong số này thu hẹp dần từ bên dưới do nước biển ấm lên, hoặc vỡ vụn và trở thành núi băng trôi ở tốc độ nhanh hơn trước. Ngoài thềm băng, hàng triệu km2 bề mặt Nam Đại Dương đông cứng thành một lớp băng biển. Băng biển đóng vai trò như tấm phản xạ ánh sáng Mặt Trời đồ sộ, che chắn cho thềm băng trước những cơn sóng dữ dội.
Phần nhiều băng biển được tạo ra ở khu vực nhỏ ngoài biển khơi gọi là "polynyas" (khu vực biển không đóng băng trong khối băng), hình thành bởi gió mạnh và lạnh thổi qua Nam Cực. Gió hạ nhiệt độ bề mặt đại dương xuống dưới điểm đóng băng, khiến băng hình thành. Khi băng xuất hiện, nó phun muối lên bề mặt đại dương, làm nước biển ở mặt nước nặng hay "đặc hơn". Nước đặc chìm vào cột nhiễu động và đổ xuống các hẻm núi dưới biển vào sâu trong lòng đại dương, đồng thời hòa lẫn với lớp nước bên trên.
Kết quả là khối lượng nước đặc vốn chỉ được tạo ra ở vài khu vực tương đối nhỏ của Nam Cực, chiếm khoảng 40% thể tích đại dương toàn cầu. Cuối cùng, nước đặc được đẩy trở lại bề mặt đại dương nhờ những xoáy nước. Trong đại dương sâu, sự pha trộn này chủ yếu bị thúc đẩy bởi thủy triều tràn qua đáy biển gồ ghề, tạo ra sóng.
Nước đại dương cần hàng trăm năm để tuần hoàn từ bề mặt Nam Đại Dương tới vùng nước sâu và ngược lại. Nước quay trở lại mặt biển ngày nay giống như một viên nang thời gian, phản ánh khí hậu mát mẻ hơn thời tiền công nghiệp khi lần đầu chìm xuống tầng nước sâu của đại dương. Nước chìm xuống ngày nay hấp thụ nhiều carbon hơn để lưu trữ ở tầng nước sâu, góp phần hạn chế ấm lên toàn cầu. Tuy nhiên, các mô hình và quan sát cho thấy lượng băng biển và thềm băng giảm đi đang làm suy yếu hệ thống thời tiết chủ chốt này, khiến nước biển ấm hơn, ít mặn hơn và dễ nổi hơn. Nước đặc khó chìm hơn đồng nghĩa khả năng lưu trữ carbon giảm và khí quyển ấm hơn trong những năm tới.
Đo dữ liệu ở Nam Đại Dương cực kỳ khó khăn do vị trí xa xôi và điều kiện khắc nghiệt. Trong nhiều trường hợp, dữ liệu rất khan hiếm, vì vậy các nhà khoa học không biết những thay đổi xảy ra nhanh tới mức nào. Họ cho rằng cần nhiều dữ liệu hơn để theo dõi thay đổi và cung cấp cảnh báo sớm các sự kiện khí hậu quan trọng như sự sụp đổ của tấm băng. Tuy nhiên, những chuyến thám hiểm quan sát đại dương thường rất tốn kém. Ví dụ, tàu nghiên cứu cao cấp của Australia, RV Investigator, có chi phí hơn 65.000 USD/ngày hoạt động.