Динамика океана определяет и описывает движение воды в океаны. Поля температуры и движения океана можно разделить на три отдельных слоя: смешанный (поверхностный) слой, верхний слой океана (выше термоклина ) и глубоководный океан.
Динамика океана традиционно изучалась путем отбора проб с инструментов на месте.
смешанный слой находится ближе всего к поверхности и может варьироваться по толщине от 10 до 500 метров. Этот слой имеет такие свойства, как температура, соленость и растворенный кислород, которые однородны по глубине, отражая историю активной турбулентности (атмосфера имеет аналогичный планетарный пограничный слой ). В смешанном слое высока турбулентность. Однако в основании смешанного слоя он становится равным нулю. Турбулентность снова увеличивается ниже основания перемешанного слоя из-за сдвиговой неустойчивости. Во внетропических широтах этот слой является наиболее глубоким в конце зимы в результате похолодания поверхности и зимних штормов и довольно мелким летом. Его динамика определяется турбулентным перемешиванием, а также переносом Экмана, обменом с вышележащей атмосферой и горизонтальной адвекцией.
Верхний слой океана, характеризующийся теплыми температурами и активным движением, изменяется по глубине от 100 м или менее в тропиках и восточных океанах до более 800 метров в западных субтропических океанах. Этот слой обменивается такими свойствами, как тепло и пресная вода, с атмосферой в течение нескольких лет. Ниже смешанного слоя верхние слои океана обычно регулируются гидростатическими и геострофическими соотношениями. Исключения составляют глубокие тропики и прибрежные районы.
Глубокий океан одновременно холодный и темный, обычно со слабой скоростью (хотя известно, что в ограниченных областях глубокого океана наблюдается значительная рециркуляция). Глубокий океан снабжен водой из верхних слоев океана только в нескольких ограниченных географических регионах: приполярном Северной Атлантике и нескольких тонущих регионах вокруг Антарктики. Из-за слабого поступления воды в глубокий океан среднее время пребывания воды в глубоком океане измеряется сотнями лет. В этом слое гидростатические и геострофические взаимосвязи обычно действительны, и перемешивание обычно довольно слабое.
Динамика океана регулируется уравнениями Ньютона движения, выраженного как уравнения Навье-Стокса для элемента жидкости, расположенного в точке (x, y, z) на поверхности нашей вращающейся планеты и движущегося со скоростью (u, v, w) относительно к этой поверхности:
Здесь «u» - зональная скорость, «v» - меридиональная скорость, «w» - вертикальная скорость, «p» - давление, «ρ» - плотность, «T» - температура, «S» - соленость, «g» - ускорение свободного падения, «τ» - напряжение ветра и «f» "- параметр Кориолиса. «Q» - это тепловая энергия, поступающая в океан, а «P-E» - это приток пресной воды в океан.
Динамика смешанного слоя довольно сложна; однако в некоторых регионах возможны некоторые упрощения. Горизонтальный перенос ветра в смешанном слое приблизительно описывается динамикой слоя Экмана, в которой вертикальная диффузия количества движения уравновешивает эффект Кориолиса и ветровое напряжение. Этот перенос Экмана накладывается на геострофический поток, связанный с горизонтальными градиентами плотности.
Горизонтальные схождения и расхождения в пределах смешанного слоя, например, из-за схождения транспорта Экмана, налагают требование, чтобы океан ниже смешанного слоя перемещал частицы жидкости вертикально. Но одно из следствий геострофической взаимосвязи состоит в том, что величина горизонтального движения должна значительно превышать величину вертикального движения. Таким образом, слабые вертикальные скорости, связанные с конвергенцией транспорта Экмана (измеряемые в метрах в день), вызывают горизонтальное движение со скоростью 10 сантиметров в секунду или более. Математическая взаимосвязь между вертикальной и горизонтальной скоростями может быть получена путем выражения идеи сохранения углового момента для жидкости на вращающейся сфере. Это соотношение (с парой дополнительных приближений) известно океанографам как отношение Свердрупа. Среди его последствий - результат того, что горизонтальная конвергенция транспорта Экмана, наблюдаемая в субтропических районах Северной Атлантики и Тихого океана, вынуждает потоки на юг проходить через внутренние части этих двух океанов. Западные пограничные течения (Гольфстрим и Куросио ) существуют для того, чтобы вернуть воду на более высокие широты.