L'océan a une grande incidence sur les changements qui se produisent dans notre atmosphère.
Le changement climatique, et particulièrement le réchauffement climatique, est principalement dû au CO2 que nous relâchons dans l’atmosphère en brûlant des énergies fossiles telles que le charbon et le pétrole. Depuis le début de l’industrialisation au XIXe siècle, la quantité de CO2 dans l’atmosphère a augmenté de 40 %. Sans l'océan, les températures seraient encore plus levées qu’elles ne le sont actuellement, celui-ci absorbant pour l’instant un quart du CO2 relâché dans l’atmosphère. L’atmosphère et l'océan sont liés par un gradient de concentration qui s’auto-équilibre. Lorsque la concentration de CO2 dans l’atmosphère augmente, l’océan en absorbe davantage. Plus l’eau de mer est froide, plus le processus est efficace.
Dans la mer du Labrador et la mer du Groenland ainsi que dans les régions proches de la côte antarctique, de grandes quantités d’eau de surface s’enfoncent dans les profondeurs où le CO2 est stocké pendant de longues périodes. La majorité du CO2 stocké de cette façon depuis le début de la révolution industrielle mettra des siècles à revenir à la surface des océans. Une partie de celui-ci restera fixée dans les sédiments du plancher océanique. Les océans ralentissent ainsi considérablement le changement climatique. La capacité de séquestration de CO2 n’est cependant pas illimitée, et elle varie au fil du temps. Par exemple, l’absorption de CO2 dans l’océan Austral a diminué entre 1980 et 2000, mais elle a augmenté dans les années qui ont suivi. L'océan ne se contente pas d’absorber une quantité considérable de notre excès de CO2 : il absorbe également presque la quasi-totalité de la chaleur supplémentaire résultant de l’effet de serre anthropique. Au cours des 40 dernières années, l’océan a absorbé pas moins de 93 % de l’excès de chaleur. Cette énergie thermique supplémentaire dans l'océan ne représente que 3 % de l’augmentation des températures atmosphériques à l’échelle mondiale - une augmentation qui serait bien plus importante sans l'océan. La chaleur supplémentaire est principalement cachée dans l'océan, où elle se propage lentement vers les profondeurs. De ce fait, la température de surface n’augmente que très lentement.
Le prix à payer est élevé. L’absorption de l’excès de CO2 entraîne une acidification progressive de l'océan, et l’absorption de chaleur provoque l’élévation du niveau de la mer et des changements inquiétants dans les écosystèmes marins. Le réchauffement océanique engendre des boucles de rétroaction positive : quand le taux d’évaporation à la surface de l'océan augmente, cela produit plus de vapeur d’eau, ce qui provoque l’augmentation des températures et fait monter le taux d’évaporation. Cette boucle de rétroaction positive se produit parce que la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre encore plus puissant que le CO2. Ce n’est pas une mauvaise chose en soi : près des deux tiers de l’effet de serre naturel, qui a rendu la terre habitable pendant des millions d’années, est provoqué par la vapeur d’eau ; seul un quart de cet effet de serre naturel est imputable au CO2. Mais si nous relâchons trop de CO2 dans l’atmosphère, la boucle de rétroaction décrite ci-dessus amplifie considérablement ses effets.
Une autre boucle de rétroaction positive est créée par la fonte de la banquise qui est, elle aussi, provoquée par l’augmentation des températures. Les banquises arctique et antarctique agissent comme un bouclier protecteur : elles reflètent jusqu’à 90 % des rayons du soleil. En raison de la hausse des températures, la banquise diminue continuellement. Et lorsqu’il n’y a plus de glace sur l’océan, il y a de l’eau. Comme l’eau est sombre, elle absorbe jusqu’à 90 % de la lumière du soleil au lieu de la refléter. Ce faisant, l’eau se réchauffe. Résultat : la glace fond encore plus. Ces boucles de rétroaction positives peuvent accélérer le réchauffement climatique de façon imprévisible : une raison de plus de ne pas peser encore davantage sur le système océanique. Il est donc essentiel de parvenir à limiter le réchauffement climatique à 2°C, objectif convenu lors de la Conférence sur le Climat à Paris.