由于厄尔尼诺和飓风现象导致了人们对海洋观测的普遍关注，人们期望很快能建立起全球海洋观测系统并投入使用。这个体系应该建立一个广泛的世界性的监测站和浮标系列，结合卫星遥感、计算机模型和其他技术，持续观察海洋并且提供日常的信息，就像今天我们所看到的天气状况。观察应在开放海、海洋内部、海底以及沿岸地区进行。全球海洋观测体系将为大量的科学研究提供信息，包括更准确的气候和天气模式的预报，提高海底操作的安全和效率，对于海洋和海底生态体系输入的更好的了解，以及大量有助于研究赤潮和与海洋相联系的灾变的蔓延的数据。同时，全球海洋观测体系也将提高我们对其他两个引人注目的现象——全球变暖和海平面变化的了解。
全球变暖
贯穿地球的45亿年的历史，大气、海洋与陆地间的相互作用已经导致了气候在温暖和寒冷间的周期性变化。在地球的气候变化中，海洋总是起着主导作用，尽管在某种程度上还是模糊的。今天，围绕地球温度改变的关注和政治议题中心——更确切地说，其温度以一种反常的速率增加，即人们熟知的全球变暖。引起警示的并非全球变暖本身，而是其惊人的变化速度。当气候经历成千上万年的改变时，地球上的生物有足够时间适应、迁徙或者随其周围环境的改变而改变它们的生活方式。而当气候改变非常迅速时，地球许多生物将毁灭。我们是地球的生物，地球反常的快速变热也威胁着我们的健康、生活质量甚至我们的生存。巨大的热量、海平面上升、洪水、疾病、干旱以及频繁的风暴活动，所有的这些已被证明是全球变暖的结果。尽管关于全球变暖的成因、速率和影响有很大的争议，但被广泛接受的是，地球正在变热，而我们对此负有责任。
1997年，全球平均海面温度是20世纪乃至过去1000年中最暖的；在1998年期间，全球平均表面温度每月均达最高温度。由国际政府气候变化专门小组（IPCC）就气候变化做出的1995年温度变化报告表明：20世纪的表面温度与自公元1400年后任何一个世纪的最高温度一样高，甚至更高，全球平均表面温度大约上升了0．3℃～－0．6℃（0．5°F～1°F）。结果导致海面升高10～25厘米（4～10英寸），冰山开始融化。很明显，尽管许多因素导致全球变暖，但由于矿物燃料的燃烧和森林毁坏引起的二氧化碳浓度升高正迅速地导致地球温度升高。
二氧化碳、水蒸气以及其他温室气体（甲烷、一氧化二氮、氯氟烃、臭氧）吸收长波或红外线，向地球辐射。对这些辐射的吸收导致大气受热和气候变暖。空气气泡的组成成分将冰核自南极分离出来，在夏威夷的冒纳罗亚观测站对大气的测试表明，自1850年来，空气中二氧化碳的数量增加了25～30％。因此问题变成，随着二氧化碳含量的升高，地球是怎样变暖的，其速率是多少？IPCC报告表明：到2100年地球的平均表面温度将升高1～3．5℃（约2°F～6．5°F），海面将上升15～95厘米（6～38英寸）。这些数据从何而来？为什么在预测的温度和海平面升高时有这样大的不确定度？
为了估算全球温度已经升高的速率，我们检测了过去的温度改变记录。文献中的空气和海洋温度被用于估计深海岩心中有孔虫的同位素成分、来自于冰期的冰雪和珊瑚结构。为了预测未来气候如何，科学家们必须依赖于复杂的计算机模型，这些模型用数学公式反应物理过程和大气、海洋以及陆地的相互作用。起始点通常基于当前的测量或过去温度的估计。然后，用球状的辅助线分布全球，对辅助线交叉点进行数千次的计算，以此来评价整个时间内大气、海洋和陆地将怎样改变。因为它们的范围广阔复杂，必须利用大型计算机模型。其结果很大的不确定性来自于用不同的模型代表气候的各种要素，甚至对气候的某些方面并未完全了解——海洋就是其中之一。事实上，因为我们并没有全面了解海洋如何影响气候，因此用来模拟气候变化的计算机模型就如同计算机中的通配符一样。
海洋对全球变暖的作用主要源于它吸收二氧化碳和储存、传输热的巨大能力。在海洋中，通过海洋植物和藻类的光合作用，主要是浮游植物，从大气中转移出大量的二氧化碳。因此，在海洋中浮游植物生长（生产力）越快，二氧化碳转移的越多。但是什么控制着海洋浮游植物的生长呢？有几种限制因素在随后会被讨论，但是最近的实验结果表明，在含有大量其他营养盐的海域，铁也许是最重要的也是直到最近才被认识到的控制浮游植物生产的因素之一。科学家约翰·马丁，起初提出后来又证明了在南大洋铁对浮游植物生长的影响，即人们所知的一种诙谐的说法“给我半坦克的铁，我将给你一个冰期”。与马丁的想法一致，一些人已经建议了一种激进的、颇有争议且并不确定的方式来抵消全球变暖——用铁播种海洋，从而诱导浮游植物的大量繁殖。浮游植物的增长可能会耗尽大量大气中的二氧化碳，或许不会，也或许会对整个海洋生态系统带来危害。
海洋中，石灰石、碳酸钙骨架或贝壳的形成也能减少二氧化碳气体。然而当石灰石沉积在陆地上暴露、风干，或者在冲蚀作用区再循环，二氧化碳将被释放回大气。现在还不了解的是：有多少二氧化碳保留在海洋中以及它被吸收和循环的速率是多少。在海面下新的调查发现，对飞涨的地球温度的一种新的潜在威胁：气体水合物。气体水合物是一种固态的结晶状的水，就像冰一样，不同的是它们包含气体，典型的是甲烷，在海洋沉积物中经常发现这类气体水合物。在卡罗莱纳州的东部和南部海滨以及墨西哥湾海底，发现了大量的水合物聚合体。升高的大洋温度能导致气体水合物分解，释放出大量的甲烷气进入大气，在此过程中会导致海底滑坡。因此，如果水合物分解释放，不仅会对海上钻井作业带来危害，也会显著地导致全球变暖。
海洋也是大的热储备箱和传输器。来自于海洋的热使气体变暖并且引发了热带风暴。热通过洋流由赤道向极地传输，前面所提到的海洋环流，由风和大洋的盐热平衡控制。科学家们认为气候变暖可能会使环流减慢，而变冷可能会加速环流，但是，这些反应并没有完全了解。海洋蒸发也为高纬度地区冰雪的形成提供了条件。冰雪的覆盖改变着地球表面的反射，对于该地区是吸收还是反射辐射有着重要影响。此外，主要来自大海的大气中的云和水汽显著地影响着气候。令人惊奇的是，在气候变化方程中，对云的了解甚少，其模型也很少。在气候模型中，大多数辅助线线格太大，不能解释一般尺寸的云的形成。浮质、煤烟、灰尘以及其他微小颗粒能促进云的形成，散射进入的辐射，促进冷却。但是认为这种作用将抵消温室效应也仅是一种肤浅的了解。气候变化的计算机模型必须将所有可能导致变暖的因素考虑在内，包括海洋、陆地，难怪它有这样的不确定性。火山爆发向空中喷出的灰烟尘也能阻止辐射的吸收，可以冷却气温。1991年，菲律宾皮纳图波火山的喷发，喷射出2000多万吨的二氧化硫，高达25公里。此次火山爆发被认为导致了1992年夏季反常的凉爽。人们如何能料到在何时何地将这样大的一次火山爆发考虑到模型中呢？模型也必须考虑一系列与海洋和温度变化相关的现象，如ENSO、大西洋的10年周期性变化以及被人为控制着冰期和间冰期过程的轨道变化等。
为了更好地了解地球体系中的海洋一大气一陆地间的相互作用，根据全球变暖预计未来变化，我们需要更多的调查和研究。尽管关于全球变暖有许多的不确定性，但有几件事情是明确的：地球正在变暖，气体中的二氧化碳含量正在升高，人类正在促使二氧化碳增加。现在摆在眼前的两个重要问题是：我们应该采取措施减少人为的全球变暖吗？如果是，应该做什么？对于这些问题的回答是理智而明确的，但是对经济和政治的关注又使它变得模糊。然而，就目前我们所了解的，现在必须采取行动了。大气中二氧化碳有长期的持久的影响，因此如果想较快地获得收益，对于减少二氧化碳含量的努力必须尽快开始而不是推迟。我们从地球自身的历史了解到：快速的气候改变对地球的居民将产生一种不可逆转的灾难性的影响。我们想成为下一个种族灭绝的起因吗？人类可能是灭绝种类之一吗？美国和国际社团——包括政治家、科学家、工业家、环保倡导者及公众——必须一起来寻求安全合理有效的方法，来减少温室气体排放减少森林砍伐，同时寻求新的更清洁的能源。
海平面波动
与水、气和陆地的运动变化相对应，海平面也随气候的变化上升或下降。气候温暖时，由于海水的热膨胀及冰川的融化，海平面升高。在冰冻时期，因为水变冷和收缩结冰，海平面下降。今天，随着气候变暖，我们面对着日益上升的海平面，以每100年10～30厘米（4～12英寸）的速度升高。有人担心，如果全球持续变暖，南极西部的冰盖将变得不稳定并且倒塌。如果其冰雪全部进入海洋，预计海平面将升高4～6米（13～20英尺），导致大面积的海岸被淹。如果南极大陆和格陵兰岛的所有的冰融化，海面将升高65～80米（210～260英尺），现在所有的海岸线将被完全吞没，内陆尚未开发的地区不久将变成有价值的海滨地区。地球上人类居住的地区将大量减少，然而海洋面积将扩大——这对鱼类来说是一个好消息。考虑到地球过去的历史，这并不是危言耸听。例如，假设海面至少比现在高6米（20英尺），现在佛罗里达群岛将完全被淹没，就像它们大约在125000年前一样。另一方面，如果气候向另一个冰期移动，就像在上一个较大的冰川作用期间所发生的那样，海平面能降低120米（395英尺）。但是甚至在此之前，地球就开始了其冰期运动，海平面不断地上升或下降。除气候变化以外的其他因素也能影响大洋的体积，从而影响海平面。
在白垩纪期间，1．4亿至6500万年前，因为热膨胀、强烈的火山活动及海底扩张运动而使气候异常温暖、海平面升高。巨大的火山爆发释放出大量的二氧化碳和水蒸气进入大气，产生温室效应。海底扩张的高速率、大西洋早期洋中脊的形成、海底熔融物质的大量释放也使海平面上升。设想有一个充满水的容器，水代表海洋，容器是海洋盆地，边是海岸线。如果一层沙或火热的磨砾层被投入充满水的容器，新增加的物质代替了一些水，这些水从容器的边缘溢出，淹没了设想的海岸线。当海底快速扩张、海底火山喷发出大量熔融的岩浆时，与设想相同的事情就发生了：海水上升并且海平面相对陆地升高了。
影响吸收太阳辐射的轨道变化、大规模的造山运动、地球表面反射性的改变、石灰石从大气中转移二氧化碳或光合作用也能改变海平面。这些影响往往对世界范围内的海平面产生作用，但是其他影响因素则是地区性的。区域构造运动，比如地震和陆地上升，能导致当地海平面明显下降（全球海平面并不受影响）。另一方面，陆地下沉能使当地海平面升高。当河流携带大量沉积物进人海洋，沉积物的重量经常导致陆地下沉或下陷。在密西西比河和切萨皮克海湾人口处，陆地下沉正导致海平面快速上升，陆地和湿地都被吞没。在一些地区，沉积物和湿地增长能赶上海面增长，但是水坝、水流转向处，或人工构筑物将阻止沉积物到达河口，使该地区加速下沉。在切萨皮克海湾，曾经作为水手避难所的位于夏普岛上的一座灯塔，现在正沉入海中。在此处，陆地下沉导致海平面加速上升，其速度为全球平均速度的两倍——约为每年4毫米（每100年1．3英尺）。冰川中冰雪的融化对海平面有两个作用：就全球范围而言，它能使海平面升高；对于地区而言则是海平面的相对降低。当冰川融化时，冰雪重量的减少将导致陆地反弹或升高。
早在16世纪，达芬奇在地中海海平面上的岩石中发现了海洋生物化石，意识到这可以作为海平面曾经比现在高的证据。今天科学家们利用类似于达芬奇所用的方法。地质学家和海洋学家搜索地球，寻求那些可证明海洋早期状况的海洋微生物或沉积物的残骸。对于那些或许会影响过去海平面高度的陆地垂直运动，调查者必须要仔细观察，并及时调整对它们的解释。一旦发现某种适当的沉积物或露头岩，科学家们就用放射性元素测年法测定其年龄。以前更高的海平面位置经常能从现在露出海面的珊瑚礁上找到答案。其中最著名的例子是巴巴多斯岛、圣克罗伊岛、巴布亚新几内亚，巴哈马以及佛罗里达群岛。曾经遭受海洋侵蚀的岩石也能保留过去海平面的印记。典型的例子是一个称为浪蚀阶地的窄窄的平台，它是由海边侵蚀产生的。遭受海浪冲蚀的岩石看上去像瑞士干酪，呈现出大量的巢穴。海滨沙土形成的内陆山脊和贝壳也能标示过去更高的海平面的时间和位置。
由相似的线索可以推测海平面较低的时期，不同于在水位线以上的观察，我们必须在水面以下寻找证据。浪蚀阶地、气蚀证明、海底发现的陆栖种群骨骼的沉积均是低海平面位置的标示证据。最近科学家们在水下19米深处（60英尺），靠近佐治亚州萨佩洛岛海滨27公里处发现了毛象、有着犬齿状牙齿的猫（刀齿猫）及其他早期陆地动物的骨骼。在巴哈马、佛罗里达及其他地方的水下洞穴有大量的长钟乳石和石笋，而它们只可能在低海平面时期洞穴充满空气而不是水的时候形成。
尽管在地球历史上，海平面上下起伏波动，但是由全球变暖导致海面上升加速涉及许多问题，尤其是那些生活在容易受到伤害的环境中的栖居者。位置低的地区，如孟加拉国、新奥尔良等，海拔在海平面附近或更低，就更危险了。全球变暖与海平面升高联合作用，可能会增加洪水爆发的频率和强度、与水相关的疾病的传播、财产和庄稼受损以及盐水侵入海洋蓄水层——我们的淡水储蓄层。一些人认为，全球变暖能防止我们进入另一个冰期。另一些人则认为，温室效应将继续使地球升温，即使不加速，也将持续使海平面升高。