Теплозапасы Мирового океана на три порядка превышают теплозапасы земной атмосферы: соотношение между ними составляет приблизительно 1600: 1. Это объясняется как большей массой и большей плотностью вод океана по сравнению с воздухом атмосферы, так и значительно большей теплоемкостью воды. Относительно малые тепловые запасы атмосферы обусловливают и меньшую ее способность сохранять неизменным свое состояние, то есть большую изменчивость во времени ее основных характеристик, или, другими словами, большую нестабильность. Инерция в развитии процессов в водах океана в десятки раз большая, чем в воздухе атмосферы.

Соответственно и влияние атмосферы на состояние воды в океанах менее устойчиво и менее значительно, чем влияние океана на состояние атмосферы.

Средний годовой радиационный поток тепла с поверхности океана в атмосферу, согласно расчетам, выполненным норвежским ученым X. Свердрупом (1942), составляет от 1150 Дж/(сут • см²) в экваториальной области до 418 Дж/(сут • см²) на широте 60°. Суммарное количество тепла, переносимое из океана в атмосферу в низких широтах, круглый год остается примерно одинаковым, а по широте 60° оно колеблется от 850-1250 Дж/(сут • см²) зимой до 0-200 Дж/ (сут • см²) летом.

В течение года отдача тепла теплыми океаническими течениями в атмосферу превышает поступление радиационного тепла.

Мировой океан является устойчиво работающим нагревателем земной атмосферы. Его поверхность отражает незначительную часть падающих на Землю солнечных лучей, большая же часть солнечного тепла поглощается водой океана. Запасая летом тепло, океан постепенно отдает его атмосфере в холодную часть года. Это происходит многими путями: он нагревает воздух непосредственно над своей поверхностью, излучает тепло, поглощаемое содержащимся в воздухе водяным паром и углекислым газом, отдает тепло на испарение воды, пары которой затем при конденсации нагревают воздух, и, наконец, выделяет тепло в воздух вместе с мельчайшими каплями водяных брызг, уносимых ветром с его поверхности при волнении. Конечно, с атмосферным воздухом взаимодействует, нагревая его, не вся толща воды океана, а лишь его поверхностный слой. Реальное значение имеют изменения температуры воды на поверхности океана на десятые доли градуса.

Солнечные лучи существенно прогревают только верхний слой океана толщиной всего в несколько метров. Нагретая вода не опускается вниз, будучи по удельному весу легче холодной глубинной. Перемешивание воды при волнении моря в какой-то степени способствует распространению тепла от верхних слоев к нижним. Так, в тропических морях верхний слой воды может иметь температуру выше 25°C (над отдельными участками океана даже выше 28°C), а на глубине 1 км температура воды не превышает 5°C. Ученые и инженеры работают над проблемой использования этой постоянной разности температур в качестве источника энергии.

Самая высокая температура поверхности воды в океане – вблизи экватора: 28°C. Здесь же она испытывает наименьшие колебания в течение года, всего в пределах 2,2-2,4°C. В замкнутых морях и низких широтах температура может достигать 32°C. Минимальная температура поверхности океана – в полярных районах, у кромки морских льдов, где в зависимости от солености воды она колеблется от -1,5 до -1,9°C. Годовая амплитуда изменений температуры воды в океанах в умеренных широтах северного полушария превышает 10°C, а в южном полушарии 5°C. Сезонные колебания температуры воды в океане ощущаются как значительные до глубины 100 м, то есть в поверхностном слое, в котором режим температуры определяется тепловым балансом на поверхности воды. На глубине около 200 м годовые колебания температуры воды невелики, они составляют несколько градусов и происходят с полугодовым запаздыванием; минимальная температура наблюдается в конце лета.

По данным, полученным в период МГГ (1957/58), средняя концентрация CO₂ в атмосферном воздухе равна 314,5 • 10^-3, а в отдельных регионах ее колебания составляют около 6 • 10^-6 (шесть частей на миллион). Ежегодное увеличение концентрации углекислого газа в воздухе в начале 60-х годов оценивалось в 0,72 • 10^-6, что составляет примерно половину поступления его в атмосферу от сгорания ископаемого топлива. Вторая половина поглощается растительными организмами в ходе процессов фотосинтеза, при этом более 5/6 поглощения происходит на поверхности Мирового океана и только около 1/6 – на суше.

Углекислый газ диффундирует в морскую воду и растворяется в ней с той же скоростью, с какой ее усваивают из морской воды микроскопические водоросли, развивающиеся в верхних слоях океана, где солнечного света достаточно для осуществления фотосинтеза.

Поедаемые морскими животными растения, как и некоторая часть отмирающих водорослей, в последующем превращаются в оседающие на дно известковые отложения – соли угольной кислоты.

Образование морского льда начинается с появления ледяных кристаллов, возникающих как на поверхности моря, так и в толще воды, когда температура воды при обычной ее солености 35‰ падает до -1,91°C. Между кристаллами сохраняются незамерзшие капли рассола, имеющие большую плотность и более низкую температуру замерзания. Всплывая, кристаллы образуют на поверхности моря сперва тонкую ледяную корку, которая постепенно становится толще, нарастая снизу. Подо льдом происходит процесс перемешивания – погружение более плотной, охлажденной у его поверхности воды и подъем воды менее плотной, относительно теплой. Таким образом, с момента достижения температуры замерзания на поверхности моря в толще морской воды возникает механизм конвекции, способствующий теплообмену в поверхностном слое моря. Важное значение имеет при этом тот факт, что наибольшую плотность соленая морская вода имеет при температуре ниже температуры ее замерзания на поверхности (в отличие от пресной воды, плотность которой наибольшая при 4°C, то есть при положительной температуре).

Решающую роль в этих процессах играет изменение солености воды с глубиной. Если соленость воды с глубиной не изменяется, то образование льда может начаться только после охлаждения до точки замерзания всей толщи воды, до самого дна: конвекция в однородно соленой воде начнется сразу же после охлаждения поверхности воды и не прекратится до тех пор, пока на всех глубинах температура воды не достигнет минимального значения. Другими словами, в тех местах океана, где соленость воды с глубиной не меняется, образование льда невозможно. Иная картина на тех участках океана, где верхний слой распреснен и соленость воды с глубиной быстро возрастает: здесь перемешивание вод по глубине затруднено, поступление тепла из глубин океана невелико и тонкий верхний слой воды, отдав свои запасы тепла в атмосферу, неизбежно замерзает. Отсюда повсеместное распространение морских льдов на поверхности Северного Ледовитого океана, верхний слой вод которого распреснен и быстро охлаждается, тогда как глубинные, более соленые и относительно теплые его воды, поступающие из Атлантики, не будучи вовлеченными в процесс конвективного перемешивания с поверхностными водами, не отдают свое тепло и, таким образом, не препятствуют образованию морских льдов.