Les différences de densité dues à la température (thermo) et à la salinité (haline) provoquent un brassage global des eaux océaniques. L'eau froide et salée formée dans les régions polaires plonge et se répand dans les profondeurs océaniques, tandis qu'ailleurs, une remontée d'eau plus lente ramène l'eau à la surface. Cette circulation thermohaline, parfois appelée tapis roulant océanique, redistribue la chaleur et le carbone sur des échelles de temps de plusieurs siècles.

L'Atlantique Nord est une zone clé de formation des eaux profondes ; l'océan Austral autour de l'Antarctique en est une autre. Le flux de retour vers la surface est diffus et encore incomplètement cartographié. Des variations des apports d'eau douce dues à la fonte des glaces ou à des modifications des précipitations pourraient affaiblir la formation d'eaux denses et ainsi altérer la circulation, avec des conséquences climatiques potentielles, notamment pour l'Atlantique Nord.

Les données relatives aux variations passées de la circulation thermohaline proviennent des archives sédimentaires et des carottes de glace. Les observations modernes s'appuient sur des mouillages profonds, des flotteurs et des mesures de traceurs. Des modèles de complexité variable simulent la circulation et sa sensibilité aux forçages. Ce système est lent, mais transporte d'immenses volumes d'eau et de chaleur.

Une masse d'eau qui s'enfonce dans les mers nordiques peut mettre mille ans à effectuer son cycle complet.