Мы уже говорили о том, как проникает тепло с поверхности океана на глубину. Распределение температуры воды в вертикальном направлении различно в океанах и морях и, в особенности, по широтам, а также в западных и восточных частях океанов. В то же время на гигантских пространствах океанов в пределах 45° с. и ю. ш. есть много общего в распределении температур с глубиной. Здесь в открытой части океана температура равномерно понижается от поверхности и почти до дна (у дна может быть повышение за счёт тепла, идущего снизу). Вначале температура падает очень быстро до глубины 300–500 м, потом все медленнее до 1,2–1,5 тыс. м, а глубже понижение очень медленное или его нет совсем. На глубине более 3 тыс. м температура воды лежит в пределах от 2 до 0 °C. Это значит, что температура воды на больших глубинах всегда ниже самой низкой температуры на поверхности в тех же местах. Замечено, что в некоторых глубоководных впадинах с 3,5–4 тыс. м и до дна (например, в Филиппинской) температура воды немного повышается.

В умеренных зонах температура воды с глубиной не претерпевает такого сильного изменения, так как летом поверхностные воды здесь прогреваются меньше. Приполярные воды сначала (до глубины 50—100 м) охлаждаются, глубже немного теплеют (это создает теплые и соленые воды умеренных широт); максимум приходится примерно на 250–500 м и далее следует постепенное понижение до дна.

В районе Антарктиды сильно охлажденные воды постоянно опускаются на глубину, питая придонные слои Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

Моря, которые свободно соединяются с океаном, имеют распределение температур по вертикали, сходное со смежным районом океана. Это общее совпадение, правда, может быть нарушено стоком больших рек, течениями и, главным образом, льдами. В морях, отделенных от океана глубокими порогами или вовсе изолированных от него, изменение температур с глубиной сложное, со своими особенностями, обусловленными местными физико-географическими условиями. Говоря о распределении температуры воды по вертикали, мы уже указывали, что убывание часто идет не непрерывно — понижение в некотором слое сменяется повышением, а затем температура вновь начинает падать. Это довольно распространенное явление тщательно изучено.

Слой холодной воды, лежащий между верхним и нижним слоями более теплой воды, называется холодным промежуточным слоем, а глубинный слой с повышенной температурой — теплым промежуточным слоем. В умеренных широтах и приполярных районах эти слои появляются в результате зимнего охлаждения и особенно заметны весной и ранним летом, когда вода не успела прогреться, а холодные зимние воды опустились на глубину.

Холодный промежуточный слой может исчезнуть или сохраниться до следующей зимы, в зависимости от того, каким было охлаждение. Каких величин достигает охлаждение в этом слое? В северной части Черного моря вдали от берегов — 6–8°, в Охотском море — 1,6–1,8 °C, что соответствует температуре замерзания морской воды.

Холодный и теплый промежуточный слои могут возникнуть и по другой причине — благодаря приносу вод (в горизонтальном направлении) из других районов с иными температурами и соленостью. Характерный пример — поступление теплых атлантических вод в Северный Ледовитый океан.

Слой воды с большими изменениями температуры по вертикали (градиентами) в океанологии называют слоем скачка. Условно принято считать слоем скачка в океане градиент, равный 0,1° на 1 м. В действительности наблюдаются и значительно большие градиенты. Так, к востоку от Японии с помощью батискафа были обнаружены слои с температурами, отличающимися друг от друга на несколько градусов. Они непосредственно соприкасались между собой без промежуточного слоя скачка. Это явление замечает и каждый купающийся в море — теплая вода поверхности немного глубже подстилается очень холодной.

В зависимости от времени (сезона, суток) температура воды в океанах также сильно изменяется, в особенности в верхних слоях, которые по аналогии с атмосферой принято называть тропосферой, и меньше в нижних слоях — стратосфере. Колебания температуры зависят от соответствующих изменений количества тепла, поступающего из атмосферы и притока вод другой температуры со стороны или снизу. Основной источник прихода тепла — это Солнце, поэтому в колебаниях температур наблюдается суточный и годовой ход. Суточный и годовой ход имеют обычно форму, близкую к синусоиде; это особенно заметно при осреднении данных. Но за конкретные сутки или годы под влиянием дополнительных причин температуры могут отличаться от главного синусоидального хода. Наибольшей величины температура достигает через 2,5–3 часа после полудня и наименьшей — перед восходом Солнца. Разница между максимальной и минимальной температурами в пределах суток на поверхности в среднем очень мала — 0,5 °C, хотя иногда может достигать и нескольких градусов. Размах колебаний температуры в открытом океане зависит от времени года, географической широты, облачности, ветра.