Dichtheidsverschillen als gevolg van temperatuur (thermo) en zoutgehalte (haline) zorgen voor een wereldwijde omwenteling van de oceaan. Koud, zout water dat in de poolgebieden ontstaat, zinkt en verspreidt zich door de diepe oceaan, terwijl langzamer opwelling elders water terug naar het oppervlak brengt. Deze thermohaline circulatie, soms de wereldwijde transportband genoemd, herverdeelt warmte en koolstof over tijdschalen van eeuwen.

De Noord-Atlantische Oceaan is een belangrijk vormingsgebied voor diep water; de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica is een ander voorbeeld. De terugstroom naar het oppervlak is verspreid en nog steeds niet volledig in kaart gebracht. Veranderingen in de zoetwateraanvoer door smeltend ijs of gewijzigde neerslag kunnen de vorming van dicht water verzwakken en daardoor de circulatie veranderen, met mogelijke klimaatgevolgen, met name voor de Noord-Atlantische regio.

Bewijs voor veranderingen in de thermohaline circulatie in het verleden is afkomstig uit sedimentlagen en ijskernen. Moderne waarnemingen zijn gebaseerd op diepzeeboeien, drijvers en tracer-metingen. Modellen van verschillende complexiteit simuleren de circulatie en de gevoeligheid ervan voor externe invloeden. Het systeem is traag, maar transporteert enorme hoeveelheden water en warmte.

Een watermassa die in de Noordzee zinkt, kan er duizend jaar over doen om zijn omloop te voltooien.